飞秒激光液相制备微纳双尺度高频纳米条纹全覆盖硅结构
【日本理化学研究所Koji Sugioka教授研究团队】

激光液相环境加工是一种简单的周期性纳米结构的制备手段。多种加工参数和多种液相环境为纳米结构的灵活调控提供了可能。液相制备的周期性纳米条纹按其周期尺寸大小可分为低频和高频结构。低频结构指纳米结构的周期等于或略小于激光波长,高频结构指纳米结构的周期远小于激光波长。相对于空气,液相环境更利于制备高频纳米结构。目前,大多数高频硅纳米条纹加工采用的激光功率都在阈值附近(0.1 J/cm2),关于阈值功率以上激光制备的高频纳米条纹在微米尺度下的分布和方向调控研究的报道还非常少。

        日本理化学研究所(RIKEN)先进光子中心Koji Sugioka教授和张东石博士利用飞秒激光直写技术(457 fs,100 kHz,1045 nm,600 mW,1.7 J/cm2)实现了液相(水和丙酮)高频纳米条纹全覆盖双尺度的硅微纳结构制备和微观调控。高频纳米结构的周期为110~200 nm,且不受扫描速度,扫描间隔和液体环境的影响。微米结构为平行沟槽和山状结构。由于周期性纳米结构通常垂直于线偏振光的偏振方向,通过调节扫描方向可以轻易控制纳米结构方向平行或垂直于微米沟槽。
        该工作还发现了一个有趣的现象,纳米结构的方向在有梯度的山状结构上会随机地顺时针或逆时针偏转,最大的偏转角度为50°,这和传统的认知不同。通过包括XRD,SEM,TEM和RAMAN等多种表征手段进行测试,并和空气中制备的结构进行对比,证实了液相加工过程中温和的熔融过程和液相辅助超快冷却有助于高频周期纳米条纹的形成。高频纳米条纹全覆盖硅微纳结构的制备和微观调控为硅基材料的应用提供了更多可能。


高频纳米条纹全覆盖硅微纳结构:微纳结构互相平行(左上),垂直(右上),顺时针和逆时针偏转的纳米条纹(左下和右下)

研究团队简介
日本理化学研究所(RIKEN)先进光子中心Koji Sugioka教授的研究团队致力于研究和开发先进的激光加工技术,以实现低环境负荷、高质量、高效率的材料加工。主要利用飞秒和皮秒超短脉冲激光极高的功率密度,实现其他传统技术无法实现的新材料加工。课题组主要研究领域包括3D、高纵横比、高质量的微纳米加工,生物芯片和光电器件制备和应用。Koji Sugioka教授是日本理化学研究所先进光子中心(RAP)先进激光加工研究组的组长,美国激光研究所(LIA)和日本激光加工学会(JLPS)的理事会核心成员,SPIE,OSA,LIA和IAPLE会士,大阪大学和东京电机大学的客座教授。Koji Sugioka教授在国际期刊上发表同行评议文章200多篇,出版专著两本,撰写发表了12章英文书籍和26章日本书籍,申请19项专利,获得19项国际国内大奖。2018年被匈牙利赛格德大学授予荣誉博士学位。
张东石博士于2014年从西安交通大学获得博士学位,随后加入德国埃森-杜伊斯堡大学工业化学系Stephan Barcikowski教授课题组进行博士后研究,并于2017年加入Koji Sugioka教授团队继续深造,目前的研究课题为纳米材料和纳米结构的制备、调控和应用。

相关论文
Zhang D S, Sugioka K. Hierarchical microstructures with high spatial frequency laser induced periodic surface structures possessing different orientations created by femtosecond laser ablation of silicon in liquids. Opto-Electron Adv 2, 190002 (2019)
DOI: 10.29026/oea.2019.190002

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IAPLE专辑
国际光电子与激光工程学会(The International Academy of Photonics and Laser Engineering,IAPLE)是一个非赢利的高端学术机构,由光电子与激光领域具有国际学术声誉和行业知名度的领军科学家和知名企业核心技术成员组成,致力于推动国际光电子和激光工程高端学术的发展。
《光电进展》(Opto-Electronic Advances)于2019年3期出版了IAPLE专辑,刊出了IAPLE会士团队的最新研究成果。日本Koji Sugioka教授团队的文章就是其中之一。