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深亚波长纳米孔阵列的形成嵌入激光诱导纳米波在液体环境

*通信:

Khuat V
信息技术学院软件工程系“，
越南河内，7EN-248，黄国越街236号，理归堂技术大学
电话:+ 841673326268
电子邮件: (电子邮件保护)

摘要

在水和醇环境中，用800 nm飞秒激光照射碳化硅表面，观察到嵌入纳米波的深亚波长纳米孔阵列。纳米波的周期约为500nm。孔的直径在10 ~ 30 nm之间。讨论了液体介质对纳米孔阵列形成的影响。在乙醇辐照下，可以形成更多的纳米孔阵列，并且纳米孔的尺寸更加均匀。此外，我们还研究了激光扫描速度对酒精照射下制备的纳米孔阵列的影响。

关键字

纳米结构制造;激光材料加工;半导体材料;超快激光

简介

与传统方法相比，激光微加工具有非接触式加工、快速去除率和少掩模加工等突出优点。LD乐动体育官网特别是，飞秒激光加工最近已成为材料加工的一种使能工具，并已承诺广泛的各种有趣的应用，由于其能够抑制热影响区，执行亚衍射极限处理，并进行真正的3D选择性修改[1-5］．

飞秒激光生成纳米结构的周期可大大小于入射激光波长，是引起研究人员高度关注的非常有趣的现象之一[6-9］．激光诱导的纳米波可分为近波长纳米波和深波长纳米波两种类型。前者周期接近入射激光波长，由于入射光波和表面散射波的干涉，被广泛接受[10-13］．根据该理论，可以通过改变入射角来控制波纹的周期。后者的周期远小于入射激光波长，被认为是由入射光波和激光诱导的表面等离子体波的干涉产生的[14，15］．纳米波的存在会改变激光与材料的相互作用，因为纳米波可以作为一个光栅，有效地耦合入射光波并将其转换为等离子体波。具体而言，由于激光诱导的纳米沟槽宽度约为10-50 nm [16]，比入射激光波长小得多，由于衍射极限，光波无法在如此小的结构中传播。因此，可以预期表面等离子体激元(SPPs)可以产生并限制在纳米沟槽中，这将在材料表面诱导更小的纳米结构。此外，据报道，液体可以为激光消融带来一些优点，如更高的效率和更清洁的消融。一些出版物讨论了液体介质，如水和酒精对激光消融效率的影响[17-21］．在液体环境下进行激光辐照，有望获得更清晰的纳米纹线。因此，激光诱导的纳米波对入射激光与材料相互作用的影响将更加显著，导致形成更小的结构。然而，现有的文献大多集中在表征纳米波的形貌和形成机理上。关于纳米波中形成的深亚波长结构的研究很少。最近，我们报道了用800纳米飞秒激光制备的深亚波长纳米孔阵列[22]，其中纳米孔阵列的形成归因于与纳米波相关的纳米沟槽中通道等离子激元(CPPs)的形成。

在这项工作中，我们观察到，在酒精环境下，用800 nm飞秒激光照射制备的纳米波中也可以形成纳米孔阵列。孔的直径在10 ~ 30 nm之间。请注意，纳米孔比入射激光的波长(800纳米)小得多。该结构与经典的激光诱导纳米结构有两个不同之处。首先，尺寸是几十纳米，而不是几百纳米。另一方面，在液体环境中，只有在辐照下才能形成结构。具体来说，在酒精中照射下，形成了更多的纳米孔阵列，与在水中照射下产生的孔相比，这些孔更均匀。该方法可用于激光照射制备深亚波长纳米结构。利用扫描电子显微镜(SEM)对纳米孔阵列进行了表征。此外，我们还研究了激光扫描速度对深亚波长纳米孔阵列的影响。

实验的细节

实验设置如图所示图1由飞秒激光源、衰减器、中性密度滤光片、机械快门、xyz活动舞台、计算机和CCD相机组成。所使用的激光器是一种放大Ti: Sapphire飞秒激光系统(美国相干公司)，脉冲持续时间为150 fs，波长为800 nm，重复频率为1 kHz。

衰减器提供了方便的激光能量调节方法，采用机械快门控制激光束的进入。可移动的平台，SiC样品可以安装在其上，由计算机程序控制，并允许我们在图案上高精度地制造结构。CCD相机连接到计算机，用于在制造过程中清晰地在线观察SiC图案表面。采用数值孔径(NA)为0.3的10×显微镜物镜将激光聚焦到图案表面。图案上光斑的直径约为10 μm。

在实验中，采用了厚度为350 μm的6H-SiC晶片。首先，用丙酮和去离子水分别用超声波场清洗10分钟;然后将它浸泡在一个小液体池中，然后安装在可移动的舞台上。在我们的实验中使用了水和酒精。激光束通过光学显微镜物镜聚焦到图案上。在制作过程中，可以通过光学显微镜或连接到CCD相机的计算机屏幕看到SiC图案的表面。激光辐照后，利用扫描电镜研究了碳化硅表面的结构形貌。

结果与讨论

图2用800 nm飞秒激光分别在水环境和醇环境下照射制备了深亚波长纳米孔阵列。激光平均功率为10 mW，扫描速度为1500 μm/s。在相同剂量的激光照射下，虽然两种情况下都形成了深亚波长的纳米孔阵列，但两者之间存在一些差异。首先，在水中照射下，纳米孔阵列只在某些特定的地方形成，如图所示图2 (a)而且(b)．同时，在酒精照射下，大多数纳米槽中形成了纳米孔阵列，如图所示图2 (c)而且(d)．第二，在酒精中制备的纳米孔阵列比在水中制备的纳米孔阵列更均匀且略小。纳米波的周期约为500 nm;纳米波垂直于激光偏振方向。纳米孔阵列的周期约为60 nm，直径范围为10 ~ 30 nm。激光扫描速度为1500 μm/s，对应两个相邻激光脉冲之间约80%的重叠。

纳米波纹的形成可归因于入射激光波与激光诱导的表面等离子体波之间的干涉[13］．深亚波长纳米孔阵列的形成可以归因于CPPs对与纳米波相关的纳米槽的引导作用[22］．注意，纳米沟槽的几何形状对CPPs的形成和传播有很大的影响[23-28］．在早期的一篇文章中，我们得出结论，在环境空气的照射下很难获得清晰的纳米沟槽，因为激光处理过程中重新沉积在表面的碎片可能会散射入射光，严重破坏表面纳米图案的结构;因此，纳米孔阵列无法形成。更清晰的纳米沟槽，可以支持CPPs的形成和传播，可以在液体照射下实现。一旦在表面形成纳米沟槽，就可以在下一次激光脉冲到达表面时形成CPPs，并将其转化为CPPs。因此，纳米孔阵列的形成在很大程度上取决于两个因素:清晰纳米槽的形成和光转化为CPPs的效率。由于其优异的流动和挥发性，与水相比，酒精可以为深亚波长纳米孔阵列的形成带来几个优势。首先，消融碎片可以在消融后立即被带走。因此，在酒精中制备的纳米波的纳米沟槽在辐照过程中同时被清洗，导致CPPs在纳米沟槽中形成和传播。因此，纳米孔阵列更容易形成。 For another, under irradiation in alcohol, efficiency of incident laser light being coupled in CPPs is expected to be higher than that under irradiation in water because bubbles generated during irradiation which would scatter incident light, can be carried away quickly. It is well-known that bubbles always accompany with laser irradiation in liquid environment. As irradiated with multiple pulses, the bubbles can be formed as the first pulse reaches the targets, scattering the next pulse, thus, reducing the能源当脉冲到达纳米沟槽时。因此，深亚波长纳米孔阵列有望更容易形成。

此外，我们还研究了激光扫描速度对深亚波长纳米孔阵列的影响。图3显示了当激光平均功率固定在10 mW时，不同扫描速度下纳米孔阵列的形貌。随着扫描速度的降低，纳米波的周期减小，纳米沟槽变宽。相应地，纳米孔的尺寸变大。这是因为脉冲累积效应。随着扫描速度的降低，SiC样品单位面积上的平均脉冲数增加。这也意味着激光能源SiC图案在单位面积上的累积量增大。由于场分布效应和光栅辅助表面等离子体激光耦合作用，纳米波周期减小，纳米沟槽加深[15］．同时，随着激光扫描速度的降低，相邻两个激光脉冲之间的重叠面积将增大，CPPs更容易在纳米沟槽内产生和传播。因此，可以形成更多的纳米孔阵列。

结论

总之，在800 nm飞秒激光的照射下，我们分别在水和酒精中制备了深亚波长纳米孔阵列。纳米波的周期约为500 nm。波纹垂直于入射激光的偏振方向。纳米孔的尺寸范围为10 ~ 30 nm，周期约为60 nm。纳米波的形成可以归因于入射激光和激光诱导的表面等离子体波的干涉。深亚波长纳米孔阵列的形成可以归因于CPPs在与纳米波相关的纳米槽中的引导作用。在乙醇辐照下，形成更多的孔阵列，尺寸更均匀。这可能是因为酒精的流动和挥发有助于形成更清晰的纳米沟槽图案。此外，我们还研究了激光扫描速度对纳米孔阵列的影响。

鸣谢

作者衷心感谢西安交通大学国际介电研究中心(ICDR)的戴女士对SEM和EDS测量的支持。

参考文献

1. 刘志强，刘志强，刘志强。飞秒激光在透明材料中的微加工。Nat光子学。2008; 2(4): 219 - 225。
2. 林军，薛英鑫，冯志伟，等。飞秒激光微加工制备高q铌酸锂微谐振腔。科学通报2015;58072。
3. 陈飞，陈飞，陈芳。飞秒法制备晶体介电材料中的光波导?激光微加工光子学启2014:8:251 - 75。
4. 刘志强，李志强，李志强，等。超疏水/亲水衬底的激光微加工研究。中国激光工程学报，2017;9(8):7629-7636。
5. 陈涛，司杰，侯旭，等。应用物理专业。应用物理学报11,073106-1-4,2011。
6. Khuat V，陈涛，高斌，等。飞秒激光辐照酸蚀法制备碳化硅微孔侧壁均匀纳米波纹。ApplPhysLett。2014; 104(24): 241907。
7. 曲松，张勇，李华，等。飞秒激光对金、银纳米粒子沉淀玻璃的纳秒非线性吸收。选择Mater.2006; 28(3): 259 - 65。
8. 王晓明，王晓明，王晓明，等。在熔融二氧化硅内部光学制造的平面纳米结构阵列。物理学报。2006;36(5):057404。
9. 张志刚，张志刚，张志刚，等。超短光脉冲辐照玻璃中的自组织纳米光栅。物理学报，2003;29(3):344 - 344。
10. 郑勇，安，Z，史麦莱克，等。金属基面上激光干涉图样及激光诱导周期性表面结构形成。在操作，制造和测量上纳米级(3 m-nano)。IEEE国际会议。2016:159-163。
11. 瓦格纳R，戈特曼。紧聚焦飞秒激光辐射在各种材料上诱导亚波长纹波形成。在物理学杂志:会议系列。IOP出版，2007;59(1):333)。
12. 侯帅，霍勇，熊鹏，等。飞秒激光辐照不锈钢表面长周期和短周期纳米波的形成。应用物理学报，2011;44(50):505401。
13. Young JF, Preston JS, Van Driel HM，等。激光诱导的周期性表面结构。2锗、硅、铝和黄铜的实验。物理学报，1983;27(2):1155。
14. 黄敏，赵峰，程勇，等。石墨和金刚石上超快激光诱导深亚波长光栅的机理。物理学报，2009;49(12):125436。
15. 黄敏，赵峰，程勇，等。激光诱导的近亚波长波纹的起源:表面等离子体激元与入射激光之间的干涉。科学通报。2009;3(12):4062-70。
16. 王丽娟，王丽娟，等。半波长腔反馈在(半)透明材料表面形成细纹的机理。纳米技术。2011;22(5):055304。
17. 刘志强，李志强，李志强，等。水约束下飞秒激光与硅的相互作用。薄膜。2004;467(1):334-341。
18. 水下和水辅助激光加工:第2部分蚀刻，切割和很少使用的方法。选择,激光。Eng。2004;41(2):329 - 52。
19. 李超，史霞，司杰等。飞秒激光酒精辅助碳化硅光刻。科学通报。2009;28(1):78-80。
20. 韦丽敏，李洪洪，谭长青，等。水射流辅助水下激光切割工艺的研制。金属力学与工程学报，29(6)，457 - 457(2011)。
21. 谭东，周松，邱娟，等。飞秒激光烧蚀法制备功能纳米材料。2013;17:50-68。
22. 陈涛，陈涛，陈涛，等。飞秒激光照射制备的深亚波长纳米孔阵列。环境科学学报。2015;40(2):209-212。
23. 波哲沃尔尼，李志强，李志强，等。亚波长金属槽对通道等离子体极化子的引导。物理学报，2005;39(4):581 - 581。
24. 李志强，李志强，李志强，等。通道等离子体亚波长波导组件，包括干涉仪和环形谐振器。大自然。2006;440(7083):508 - 11所示。
25. Pile DF, Gramotnev DK，金属表面三角形槽中的通道等离子体极化子。光学信件。生态学报，2004;29(10):1069-71。
26. 马金龙，李志强，李志强，等。表面等离子体激元与衍射光学极限的非线性克服。光谱学与光谱学学报，2016;30(4):344 - 344。
27. 李志强，李志强，李志强，等。偏振子中异常取向的表面纳米光栅模型激光引起的凝聚态介质损伤。在物理学杂志:会议系列。IOP出版，2016;737(1):012014。
28. 王磊，曹晓武，晁吕，等。飞秒激光烧蚀在有机材料上形成深亚波长结构。量子电子学报。2017:99。