Микро- и нанофабрикация
Наноструктурирование поверхности
Несколько лазерных методов обеспечивают точное микро- и наноструктурирование поверхностей металлов, полупроводников, стекла и других материалов.
Описание
Что охватывает наноструктурирование поверхности
За последние десятилетия нанотехнологии и лазерные технологии стали одними из наиболее успешных и активно развивающихся областей науки и техники, а их объединение открывает значительные возможности. Несколько лазерных методов обеспечивают наноструктурирование поверхностей металлов, полупроводников и даже стекла для последующего применения в сенсорике, визуализации, солнечной энергетике и биомедицине. К таким методам относятся, помимо прочего, формирование лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур (LIPSS), лазерная интерференционная литография (LIL) и прямое лазерное интерференционное структурирование (DLIP).
LIPSS
Формирование LIPSS, также называемых рипплами или нанорипплами, — метод прямой лазерной записи решётчатых наноструктур. LIPSS возникают вследствие интерференции падающего или преломлённого лазерного излучения с рассеянным или дифрагированным излучением вблизи поверхности. Метод привлёк значительный интерес благодаря простоте и надёжности: обработку можно проводить в атмосферном воздухе, и она полностью соответствует промышленным требованиям к стоимости, надёжности и производительности. В зависимости от выбранного материала и условий облучения обработка LIPSS позволяет по-разному функционализировать поверхность за счёт структур с различными периодами — от нескольких десятков нанометров до нескольких микрометров.
LIL и DLIP
Методы LIL и DLIP основаны на интерференции падающего лазерного излучения. Два или более лазерных пучка совмещаются в пространстве и времени, создавая интерференционную картину с периодом вплоть до субволнового масштаба. В LIL рисунок сначала записывается в светочувствительной среде, а затем переносится в требуемый материал. В отличие от этого, DLIP обеспечивает непосредственное структурирование материала. При подходящих условиях облучения поверхность плавится или даже аблируется в максимумах интенсивности. Из-за изначально широкой спектральной полосы ультракоротких лазерных импульсов и её влияния на формируемую интерференционную картину методы LIL и DLIP часто ограничены импульсами пикосекундного диапазона или большей длительности. Однако благодаря возможности настройки длительности импульса до 20 ps, реализованной в фемтосекундных лазерах CARBIDE и PHAROS, это не представляет проблемы.
Выбор метода
При выборе метода необходимо учитывать несколько факторов. В LIL и DLIP период интерференционной картины определяется длиной волны лазерного излучения и углом между падающими интерферирующими пучками. Однако минимальный период ограничен оптическим дифракционным пределом. Поэтому, если требуется размер элемента менее 100 nm, следует выбрать LIPSS. Другой фактор — глубина модуляции наноструктурированного рисунка. Глубину рисунка DLIP можно независимо регулировать энергией лазерного импульса и числом подаваемых импульсов. Хотя для LIPSS ожидается сходная зависимость, управлять ею обычно сложнее. Структуры DLIP могут обладать значительно большей глубиной модуляции и более высокой регулярностью на большой площади.
Изготовление сенсора SERS
Изготовление сенсора SERS. SEM-изображение поверхности Ti-6Al-4V (TC4) после облучения с последовательным лазерным сканированием.
Применение наноструктурированных поверхностей
Наноструктурированные поверхности широко применяются в сенсорике, например в поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии (SERS), где шероховатая металлическая поверхность усиливает рамановское рассеяние молекул адсорбированного аналита на несколько порядков. Наноструктурированные материалы, такие как чёрный кремний, также представляют интерес для фотодетекторов и солнечных элементов. Микрометровые кремниевые шипы удерживают падающий свет, обеспечивая высокий коэффициент поглощения в видимом и инфракрасном спектральных диапазонах. Кроме того, LIPSS и другие методы наноструктурирования позволяют создавать гидрофобные и гидрофильные поверхности для автомобильной и аэрокосмической техники, а для медицинских применений — антибактериальные поверхности, а также поверхности, препятствующие адгезии клеток или стимулирующие клеточную активность; эти методы находят и множество других применений. Фемтосекундные лазеры CARBIDE и PHAROS широко применяются в этих методах наноструктурирования поверхности.
