Раскрытие секретов лазера

Автор: Нагойский технологический институт, 14 января 2023 г.

Используя титан-сапфировый лазер и лазер на свободных электронах среднего инфракрасного диапазона (MIR-FEL) для структурирования кремния, ученые продемонстрировали, как лазерно-индуцированная периодическая структура поверхности (LIPSS) меняется в зависимости от свойств лазера. Фото: Рейна Миягава из Нагойского технологического института.

Исследователи определили влияние выбора лазера на LIPSS, что дает представление о ключевых параметрах производства.

Электронные и оптические устройства, которые мы используем ежедневно, такие как мобильные телефоны, светодиоды и солнечные элементы, используют транзисторы и другие компоненты, которые постоянно становятся меньше и компактнее. Учитывая постоянно растущую потребность в вычислительных мощностях, хранилищах и энергоэффективности, эта тенденция будет только достигать новых крайностей.

Производство таких небольших компонентов для электронных устройств требует механической обработки и подготовки структур субмикронного масштаба, в сотни раз меньше ширины человеческого волоса. Но современные методы нанопроизводства поверхностей используют фотолитографию и электронно-лучевую литографию — методы, которые сложны, чрезвычайно дороги, обычно недоступны и требуют высокого уровня знаний.

Лазерно-индуцированная периодическая структура поверхности (LIPSS) рассматривается как новая и перспективная альтернатива этим методам. В LIPSS фемтосекундные лазеры используются для доставки ультракоротких лазерных импульсов, которые спонтанно приводят к образованию периодических узоров на поверхности, размер которых намного меньше длины волны лазера.

Хорошо известным параметром в LIPSS является выбор длины волны лазера, который напрямую влияет на периодичность формируемых структур. Однако другие параметры остались неизвестными. Основные проблемы, связанные со стандартизированным использованием LIPSS, включают качество сформированной поверхностной структуры, а именно кристалличность подложки, возможность появления дефектов и деформацию. Чтобы последовательно производить LIPSS с контролируемыми свойствами и характеристиками для конкретных применений, важно понимать, какие лазерные источники следует использовать для каких конкретных нужд.

Благодаря соответствующему выбору свойств лазера, структуру поверхности с лазерно-индуцированным периодом (LIPSS) можно настроить и адаптировать для конкретных приложений, манипулируя ее дефектами, деформацией и периодичностью. Фото: Рейна Миягава из Нагойского технологического института.

To answer these questions in more depth, a Japanese research collaboration led by scientists from the Nagoya Institute of Technology, has now directly investigated the various parameters that are influenced by laser choice. The work, in collaboration with Osaka University, Tokai University, Kyoto University, and the Japan Atomic Energy Agency (JAEA), was led by Assistant Professor Reina Miyagawa of the Nagoya Institute of Technology, alongside Associate Professor Norimasa Ozaki of Osaka University, and Professor Masaki Hashida of Tokai University, who is also a researcher at Kyoto University. Their findings have been published in the journal Scientific ReportsEstablished in 2011, <em>Scientific Report</em>s is a peer-reviewed open-access scientific mega journal published by Nature Portfolio, covering all areas of the natural sciences. In September 2016, it became the largest journal in the world by number of articles, overtaking <em>PLOS ON</em>E." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Научные отчеты.

«В нашем исследовании мы выбрали кремний в качестве подложки, поскольку это материал, используемый во многих оптоэлектронных устройствах по всему миру, таких как транзисторы, мобильные телефоны и солнечные элементы», — объясняет доктор Миягава.

Исследователи использовали на подложке два разных фемтосекундных лазера. В одном эксперименте лазерная система из титана и сапфира (Ti:Sapphire) с длиной импульса 0,8 мкм использовалась для структурирования кремния при энергиях, превышающих энергию запрещенной зоны. В другом эксперименте исследователи использовали лазер на свободных электронах с импульсами среднего инфракрасного диапазона 11,4 мкм, который мог исследовать эффект при энергиях, меньших, чем энергия запрещенной зоны образца. Анализ образцов LIPSS проводился как микроскопически, так и макроскопически. Микроскопическую кристалличность и чистоту изучали с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), а более макроскопический анализ деформации и стабильности более широкой структуры исследовали с помощью синхротронной дифракции рентгеновских лучей высоких энергий (XRD).