研究背景

  1947年，贝尔实验室的科学家们发明了世界上的第一个晶体管，此举引发了微电子技术的革命，深刻地改变了全球的生活方式。随着电子设备的日益微型化，寻找一种简单、快速且低成本的微纳米组件制造方法成为了一个巨大的挑战。尽管传统的直接写入制造方法如聚焦离子束刻蚀、电子束光刻和多光子聚合等在某些应用中仍有其价值，但它们的效率相对较低。而像纳米压印、光刻、等离子体刻蚀和扫描激光干涉刻蚀这样的方法虽然可以有效地提高处理速度，但它们通常需要多个处理步骤，例如制作掩模，或者需要在非常严格的工作环境中进行，并且通常依赖于特殊的材料。近年来，使用飞秒激光诱导表面自组织周期结构制造纳米光栅结构的方法受到了广泛关注。激光诱导的周期表面结构（LIPSS）通过利用入射光与表面电磁波之间的干涉来刻蚀材料，因此具有很高的处理精度。与传统的激光干涉处理方法相比，自组织处理方法的实验设置更为简单，且制造速度更快。

文章简介

  LIPSS利用入射光与表面电磁波之间的干涉来刻蚀材料，从而实现了高精度的纳米制造。与传统的激光干涉处理方法相比，LIPSS的自组织处理方法不仅实验设置更为简单，而且制造速度显著提高。然而，尽管LIPSS方法在纳米制造领域展现出巨大的潜力，但其在实际应用中仍面临一些挑战。例如，LIPSS方法的可控性仍有待提高，这意味着在某些情况下，制造出的纳米结构可能与预期的设计存在偏差。此外，关于LIPSS结构形成的具体机制，特别是在不同的材料和条件下，仍然存在许多不解之谜。这些复杂的过程涉及多种物理、化学和热动力学机制的相互作用，目前尚未完全理解。因此，为了使LIPSS技术真正实现其在纳米制造中的潜力，仍然需要进行大量的研究和实验工作。

  西湖大学的仇旻教授领导的研究团队在微纳加工领域有着非常丰富的研究经验。他们最近发现当在非晶硅薄膜的表面诱导出周期性光栅结构时，光栅的周期会因为电磁波来源的不同而改变。具体来说，当非晶硅薄膜的厚度较小（50 nm）且衬底为非硅材料时，LIPSS在平板波导模式的主导下会形成较小的周期，并且随着衬底材料的改变而改变。而当非晶硅薄膜的厚度增加到200 nm时，此时的主导模式变为入射光与准圆柱波的干涉，进一步地，在近场和远场的共同作用下诱导出LIPSS。在这种模式下，LIPSS的周期略小于激光波长，并与衬底材料无关。为了验证这些实验发现，研究团队还进行了基于有限差分时域法的数值模拟。

  相关工作以Impact of film thickness in laser-induced periodic structures on amorphous Si films为题发表在Frontiers of Optoelectronics 2023年第2期。

图文概览

创新点一：通过改变非晶硅薄膜厚度，使用飞秒激光诱导出两种不同周期的光栅结构

  研究团队在多种衬底上制备了不同厚度的非晶硅薄膜，并使用波长为1030nm的飞秒激光脉冲成功地在薄膜上诱导形成了氧化周期性表面结构(如图1所示)。如图2展示，当非晶硅薄膜厚度达到200 nm时，所诱导的氧化光栅结构的周期与激光脉冲的波长十分接近。而当薄膜厚度降至50nm，氧化光栅的周期相应地减小。值得注意的是，改变衬底材料会影响较薄非晶硅薄膜上的氧化光栅周期，但对较厚薄膜上的光栅周期影响不大。研究人员推测，薄膜的厚度可能会决定形成光栅结构时的主导电磁波模式。对于较薄的薄膜，由于衬底与薄膜之间的折射率差异，平板波导模式成为了光栅结构形成的主要驱动力，因此衬底的折射率变化会导致光栅周期的改变。特别是当衬底材料的折射率与非晶硅薄膜相近（例如，当衬底为单晶硅时），光栅结构不会形成。而对于较厚的薄膜，形成的氧化颗粒体积变大，而更大尺寸的颗粒会引起更强的近场作用，在不断的正反馈下，氧化颗粒激发的准圆柱波成为主导，并与入射光干涉，从而形成氧化光栅。在这种情况下，光栅的周期与衬底材料无关。

图 1 激光诱导产生周期性光栅结构的示意图

图 2 (a) 周期氧化光栅结构的周期与薄膜厚度和衬底材料的关系。（b）玻璃衬底上50 nm非晶硅薄膜上诱导产生的周期光栅结构的SEM图像。（c）晶体硅衬底上200 nm非晶硅薄膜上诱导产生的周期光栅结构的SEM图像。比例尺为1微米。

创新点二：通过数值仿真对实验结果进行验证

研究团队采用基于有限差分时域法的数值模拟方法，对实验结果进行了深入分析。从图3可以明显看出，对于较薄的薄膜，其内部的周期性能量分布非常清晰。在这种情况下，由于表面颗粒激发的准圆柱波强度较弱，平板波导模式成为了主导。当改变衬底材料时，能量分布的周期也会随之发生变化，这与实验观测结果完全吻合。而如图4展示，对于较厚的薄膜，我们可以清楚地看到在空气中分布的准圆柱波。在这种模式的主导下，硅薄膜界面上形成了周期性的能量分布，进而诱导形成了周期光栅结构。在这种情况下，衬底对光栅周期的影响变得微乎其微。

图 3 玻璃衬底(a,c)和单晶硅衬底(b,d)上50 nm厚非晶硅薄膜的数值仿真结果，(a,b)为界面处的电场分布，(c,d)为侧视图;(e)和(f)分别为仿真和实验中光栅结构周期的统计结果。比例尺为1微米。

图 4 蓝宝石衬底(a,c)和单晶硅衬底(b,d)上200 nm厚非晶硅薄膜的数值仿真结果，(a,b)为界面处的电场分布，(c,d)为侧视图; (e)和(f)分别为仿真和实验中光栅结构周期的统计结果。比例尺为1微米。

总结和展望

  在微纳制造领域，激光诱导周期表面结构（LIPSS）技术已经展现出了巨大的潜力。通过对非晶硅薄膜的厚度进行调控，研究者成功地诱导出了不同周期的氧化光栅结构，为微纳制造提供了新的可能性。此外，基于有限差分时域法的数值模拟为实验结果提供了有力的验证，进一步加深了对LIPSS技术的理解。随着技术的进一步发展和研究的深入，LIPSS技术将在微纳制造领域发挥更大的作用。为了克服现有的技术挑战，研究人员需要进一步探索LIPSS的基本原理，优化实验条件，提高结构的可控性和精度。同时，与其他微纳制造技术（如纳米压印、光刻等）的结合，也将为LIPSS技术的应用开辟新的可能性。总之，LIPSS技术在微纳制造领域具有光明的前景，值得继续关注和研究。

文章链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s12200-023-00071-6

原创：西湖大学 许犁野 

转载自：光电学前沿公众号