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技術(shù)前沿

突破 | 南科大在激光超分辨率納米制造領(lǐng)域取得系列進(jìn)展

激光制造網(wǎng) 來源:南方科技大學(xué)2023-01-04 我要評論(0 )   

南方科技大學(xué)在Nature Communications, Advanced Optical Materials, LaserPhotonics Reviews, Nano Letters, ACS Applied MaterialsInterfaces等激光微納米制造領(lǐng)域高...

南方科技大學(xué)在Nature Communications, Advanced Optical Materials, Laser & Photonics Reviews, Nano Letters, ACS Applied Materials & Interfaces等激光微納米制造領(lǐng)域高水平期刊上發(fā)表系列論文,內(nèi)容涉及激光亞波長圖案化納米制造、激光誘導(dǎo)周期性納米光柵制造、線形脈沖激光跨大尺度微納復(fù)合制造、耐久性納米錐的激光摻雜增強等離子體刻蝕制造等。

近日,南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系助理教授徐少林團(tuán)隊圍繞“激光超分辨率納米制造”主題,在Nature Communications, Advanced Optical Materials, Laser & Photonics Reviews, Nano Letters, ACS Applied Materials & Interfaces等激光微納米制造領(lǐng)域高水平期刊上發(fā)表系列論文,內(nèi)容涉及激光亞波長圖案化納米制造、激光誘導(dǎo)周期性納米光柵制造、線形脈沖激光跨大尺度微納復(fù)合制造、耐久性納米錐的激光摻雜增強等離子體刻蝕制造等。


在激光亞波長圖案化納米制造方面,大面積無拼接超衍射極限圖案化納米制造在半導(dǎo)體及光學(xué)微納器件等領(lǐng)域具有至關(guān)重要的作用,開發(fā)低成本、高效率制備技術(shù)及配套設(shè)備對于上述領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展具有極其重要的意義。研究人員利用準(zhǔn)二元相位掩模對光束進(jìn)行偏振過濾,結(jié)合偏振與相位優(yōu)化,得到了具有亞波長圖案化波前的超快激光脈沖,使用快速掃描形成脈沖分離進(jìn)行周期性改性/燒蝕,在大氣環(huán)境下實現(xiàn)了晶圓級表面圖形化微納結(jié)構(gòu)的均勻高效制造。制備的圖案化結(jié)構(gòu)在設(shè)計上高度自由可控,且具有亞波長圖形分辨率(520 nm波長實現(xiàn)了300 nm的圖形分辨率),無拼接現(xiàn)象。研究人員設(shè)計并加工了超表面吸收器器件,在中紅外波段(3-7微米)實現(xiàn)了高達(dá)98%的單峰和雙峰吸收率。上述開發(fā)的高效激光亞波長圖案化加工方法具有普適性,且能夠適用于任意薄膜材料的圖案化加工。


圖1. 新型亞波長圖案化整形脈沖激光光刻技術(shù)在激光誘導(dǎo)周期性納米光柵可控制造方面,激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)(LIPSS)能夠突破光的衍射極限,獲得亞波長(~λ/2)至超深亞波長(~λ/8)分辨率的納米光柵結(jié)構(gòu),但其結(jié)構(gòu)的空間長程無序性限制了其在工業(yè)界的應(yīng)用。研究人員基于對超快激光激發(fā)表面等離激元波干涉現(xiàn)象的研究,首次系統(tǒng)解釋了激光誘導(dǎo)納米光柵結(jié)構(gòu)空間分布紊亂的成因,并提出了相應(yīng)的調(diào)控策略,即利用表面等離激元波干涉所引起的自對準(zhǔn)現(xiàn)象,實現(xiàn)了長程有序亞波長光柵結(jié)構(gòu)的高效大面積制備。進(jìn)一步,對超快光源進(jìn)行光束整形,形成均勻一致的線光源,通過調(diào)整激光加工策略,在單次掃描中穩(wěn)定實現(xiàn)了成千上萬二維陣列單元的自發(fā)生成,達(dá)到了在晶圓級大小樣品上高效制備均勻二維納米結(jié)構(gòu)的目的。


圖2. 基于激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)自對準(zhǔn)現(xiàn)象開發(fā)的高效二維納米圖案化技術(shù)

在線形脈沖激光跨大尺度微納復(fù)合制造方面,跨大尺度分級金屬微納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(亞100nm至數(shù)微米尺度)是提高透明柔性電子器件的透光性、導(dǎo)電性和機(jī)械穩(wěn)定性的一種有效途徑,然而高效經(jīng)濟(jì)地制備上述微納復(fù)合結(jié)構(gòu)仍極具挑戰(zhàn)性。研究人員創(chuàng)造性地提出了一種單步無掩膜線形脈沖激光光刻技術(shù),通過調(diào)制線形脈沖光源的分離燒蝕,可高效制備線寬從50 nm至數(shù)微米連續(xù)可調(diào)的金屬網(wǎng)格線。研究人員利用該技術(shù)設(shè)計并制備了一種柔性透明電極,在保證透過率大于80%的前提下,得到了4.6 Ω/sq的薄層電阻,在經(jīng)過1000次的抗彎測試后仍能保持良好的光電性能。進(jìn)一步,研究人員將該技術(shù)應(yīng)用于制備一種柔性多向應(yīng)變傳感器,利用單層薄膜實現(xiàn)了多向應(yīng)變傳感的功能,且在靈敏度和響應(yīng)性方面都具有顯著優(yōu)勢,且顯示出良好的機(jī)械穩(wěn)定性和循環(huán)穩(wěn)定性。


圖3. 線形脈沖激光光刻用于跨大尺度微納復(fù)合制造在耐久性納米錐的激光摻雜增強等離子體刻蝕制造方面,表面納米結(jié)構(gòu)可有效減低界面處的菲涅爾反射,從而提高光學(xué)窗口的透過性,實現(xiàn)表面增透的應(yīng)用。然而納米錐等表面結(jié)構(gòu)在受到摩擦或顆粒撞擊時易發(fā)生磨損和斷裂導(dǎo)致性能失效,這限制了其在極端環(huán)境下的應(yīng)用。研究人員巧妙地設(shè)計了一種微框架結(jié)構(gòu),對表面納米錐陣列進(jìn)行保護(hù),使得制備的納米錐增透表面同時具備了高抗磨損性能。結(jié)合超快激光加工與干法刻蝕技術(shù),研究人員提出了一種區(qū)域化激光摻雜復(fù)合干法刻蝕技術(shù),在石英玻璃、本征SiC等光學(xué)窗口表面驗證了高透過率、長耐久性光學(xué)增透窗口的制造可行性。該研究提出的設(shè)計制造方法,能夠有效解決增透表面的耐久性難題,有望推動極端環(huán)境下光學(xué)增透窗口的研究與應(yīng)用。


圖4. 耐久性納米錐的激光摻雜增強等離子體刻蝕制造

信息來源:南方科技大學(xué)


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