日本理化學研究所(RIKEN)研究人員創造了GHz飛秒激光脈衝(chong) 在晶體(ti) 矽的表麵形成獨特表麵結構，其研究成果發表在《International Journal of Extreme Manufacturing》期刊上。

日本理化學研究所先進光子學中心(RAP)的一個(ge) 項目演示了飛秒源如何在GHz頻率下在矽襯底上創建獨特的二維激光誘導周期表麵結構(LIPSS)。這種新方法比簡單的燒蝕工藝創造了更複雜的表麵納米結構，而燒蝕工藝一直是研究改變許多表麵性能的焦點。

GHz飛秒激光脈衝(chong) 由一係列脈衝(chong) 間隔為(wei) 幾百皮秒的超短激光脈衝(chong) 組成，大多數使用GHz飛秒激光脈衝(chong) 的研究都集中在材料的燒蝕上，以實現高效、高質量地去除材料。在本研究中，研究人員研究了GHz飛秒激光在矽表麵形成激光誘導周期表麵結構(LIPSS)的處理能力。研究人員發現GHz飛秒激光器創建了獨特的二維(二維)LIPSS。研究人員認為(wei) 二維LIPSS的形成機製是電磁機製和流體(ti) 動力機製的協同所形成。具體(ti) 來說，在一維LIPSS的納米溝槽內(nei) ，通過後續脈衝(chong) 的局部表麵等離子體(ti) 共振產(chan) 生具有高度增強電場的熱點，從(cong) 而形成二維LIPSS。

激光誘導周期表麵結構(LIPSS)是在固體(ti) 材料表麵通過多次線偏振激光脈衝(chong) 照射而形成的自組織微納米結構。LIPSS的周期和方向等特性取決(jue) 於(yu) 脈衝(chong) 寬度、激光通量(脈衝(chong) 能量)、激光偏振方向、激光波長、激光脈衝(chong) 數和材料類型。LIPSS可以製備在各種類型的固體(ti) 材料表麵，包括金屬、半導體(ti) 和聚合物。飛秒激光常產(chan) 生周期小於(yu) 波長一半的LIPSS，稱為(wei) 高空間頻率LIPSS。此外，LIPSS的製造不需要任何特殊的環境，並且可以通過簡單的非接觸激光照射方案進行，這有利於(yu) 工業(ye) 應用。

Giannuzzi等人用GHz脈衝(chong) 模式在不鏽鋼上演示了LIPSS的形成，顯示出與(yu) 單脈衝(chong) 模式相似的LIPSS的形成。 本文利用GHz飛秒激光脈衝(chong) 在矽上形成LIPSS，通過與(yu) 單脈衝(chong) 模式相比，展示了GHz形成獨特納米結構的能力，並討論了可能的形成機製。

圖1：使用GHz飛秒激光脈衝(chong) 形成LIPSS的實驗裝置示意圖。

圖2:利用飛秒激光脈衝(chong) (a)， (f)單脈衝(chong) 模式和(b) - (e)， (g) - (j) GHz在P為(wei) 2到10的不同脈衝(chong) 內(nei) 的矽表麵上製備的微/納米結構的SEM圖像。飛秒激光脈衝(chong) 爆發的時間間隔為(wei) 205皮秒， (a) - (e)和(f) - (j)的脈衝(chong) 數N分別為(wei) 50和200。每幅圖像下方顯示了產(chan) 生LIPSS的脈衝(chong) 的影響。

研究人員推測，二維LIPSS的形成歸因於(yu) 局部表麵等離子體(ti) 共振(LSPR)在一維LIPSS的納米溝槽中產(chan) 生的“熱點”。當光束照射在金、銀等金屬的一維LIPSS上時，由於(yu) LSPR的作用，在一維LIPSS的納米溝槽中產(chan) 生了電場高度增強的熱點。當偏振方向垂直於(yu) 一維LIPSS方向的光入射時，增強效果最大。如圖3(b)所示。在一維LIPSS中，納米槽的側(ce) 壁周期性地產(chan) 生熱點，並周期性地燒蝕側(ce) 壁以生成二維LIPSS，如圖3(c)所示。

圖3：二維LIPSS形成機理示意圖:(a)爆發中最初的兩(liang) 個(ge) 內(nei) 脈衝(chong) 產(chan) 生一維 LIPSS， (b)第三個(ge) 和隨後偏振方向垂直於(yu) 一維 LIPSS的內(nei) 脈衝(chong) 產(chan) 生熱點，(c)熱點周期性地燒蝕側(ce) 壁以產(chan) 生二維 LIPSS。(d)實際由GHz處理生成的二維LIPSS示意圖。

在對晶體(ti) 矽的試驗中，GHz脈衝(chong) 不僅(jin) 能夠產(chan) 生垂直於(yu) 激光偏振的一維結構，即單脈衝(chong) 模式下的激光所產(chan) 生的那種結構，而且還能產(chan) 生平行於(yu) 偏振的其他周期結構，從(cong) 而產(chan) 生二維晶格圖案。

圖4：GHz飛秒激光脈衝(chong) 創建獨特的二維周期表麵結構，平行和垂直於(yu) 激光偏振方向。圖片來源:日本理化學研究所(RIKEN)

圖5顯示了一維LIPSS中納米溝槽電場增強的模擬結果。很明顯，增強並不是沿著納米溝槽恒定的(圖5(a))。周期性地獲得最高的電場，產(chan) 生電場增強5倍以上的熱點。從(cong) 圖5(b)可以看出，納米槽側(ce) 壁頂部的電場最大，底部的電場也得到了較強的增強。因此，研究人員認為(wei) 消融發生在納米槽的頂部和底部，從(cong) 而產(chan) 生了二維LIPSS。

圖5：當1030 nm fs激光以正入射到具有周期性納米溝槽(寬度為(wei) 250 nm，深度為(wei) 700 nm，周期為(wei) 760 nm)的一維LIPSS上時，在平行平麵(a)和垂直平麵(b)電場增強的模擬結果。激光偏振方向與(yu) 一維LIPSS方向垂直。

圖6(a)和(b)分別為(wei) P= 3和N= 50 GHz脈衝(chong) 處理的矽的SEM圖像，脈衝(chong) 內(nei) 強度呈平緩和負傾(qing) 斜分布。對於(yu) 負傾(qing) 斜分布，第二次和第三次脈衝(chong) 的強度分別調整為(wei) 第一次脈衝(chong) 的73%和50%。顯然，與(yu) 平麵分布相比，負傾(qing) 斜分布可以抑製熔化，從(cong) 而創建更好的二維 LIPSS。這一結果支持了基於(yu) 熱點的二維LIPSS形成機製。這些結果表明，在一維LIPSS中，熱點不能燒蝕脊的整個(ge) 寬度，而是使脊變窄。與(yu) 此同時，側(ce) 壁的其他部分熔化在一起，形成了晶格結構。更精確的GHz脈衝(chong) 包絡將進一步提高二維 LIPSS的質量。

圖6：P = 3、N = 50 GHz脈衝(chong) 模式在不同脈衝(chong) 下的形貌掃描電鏡圖(左)為(wei) 脈衝(chong) 內(nei) 通量為(wei) 128 mJ cm−2的平坦分布，(右)為(wei) 第1脈衝(chong) 內(nei) 通量為(wei) 146 mJ cm−2的負傾(qing) 斜分布。飛秒激光脈衝(chong) 在205ps下的時間間隔是恒定的。

研究人員應用GHz飛秒激光處理來形成LIPSS，以研究其創造獨特的微納米結構的能力。具體(ti) 來說，在GHz脈衝(chong) 中通過第一和第二脈衝(chong) 在矽上形成了規則的一維LIPSS。然後，在一維LIPSS納米溝槽中通過第三次和後續的內(nei) 脈衝(chong) 產(chan) 生電場高度增強的周期性熱點，形成二維LIPSS。在一維LIPSS上對電場增強的模擬驗證了所提機製的有效性。此外，由於(yu) 對流流動等流體(ti) 力學效應，電場增強引起的表麵熔化決(jue) 定了二維LIPSS的最終結構。然而，需要進一步的研究來探索確切的機製。基於(yu) 這一假設，研究人員通過設定GHz脈衝(chong) 的分布，使三個(ge) 內(nei) 脈衝(chong) 的強度逐漸降低，成功地創建了更明確的二維LIPSS。研究人員的研究結果表明，GHz飛秒激光脈衝(chong) 不僅(jin) 為(wei) 消融和其他類型的處理提供了獨特的特性，例如LIPSS形成，為(wei) 微納米製造開辟了新的途徑。

理化研究所的Koji Sugioka說:“這一結果可能為(wei) 除燒蝕外的處理提供了GHz突發模式的新可能性，包括微鍵合、結晶、拋光、雙光子聚合和內(nei) 部光波導寫(xie) 入。”“研究人員相信GHz脈衝(chong) 模式將為(wei) 飛秒激光處理開辟新的途徑。”

文章來源：

https://www.ijemnet.com/en/article/doi/10.1088/2631-7990/acb133

https://optics.org/news/14/1/42