КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 21-72-20162

НазваниеПерспективные режимы формирования субволновых лазерно-индуцированных периодических структур фемтосекундным излучением

РуководительДостовалов Александр Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2021 г. - 2024 г. 

Конкурс№51 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Объект инфраструктуры Центр коллективного пользования ДВФУ.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые словаТермохимические лазерно-индуцированные периодические поверхностные структуры, нитриды, пленки металлов и полупроводников, массивы наночастиц, поверхностный плазмонный резонанс

Код ГРНТИ29.31.27


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Структурирование поверхности на микро- и нано масштабе является быстрорастущим направлением науки, привлекающим интерес исследователей из самых разных областей. Такой интерес связан с возможностью получения уникальных оптических, механических, каталитических и других свойств для привычных объектов и материалов. Особенно интенсивно развиваются исследования поверхностных структур в оптике, где естественным параметром, определяющим характер взаимодействия, является длина волны излучения. Создание на поверхности разнообразных паттернов рельефа или химического состава, нанесение упорядоченных или неупорядоченных массивов наночастиц, наносфер, наностержней и т. д., комбинация в структурах металлов, диэлектриков и полупроводников позволяет тонко «настраивать» взаимодействие света с веществом и достигать исключительных явлений, которые находят широкое применение в приложениях сенсорики, обработки сигналов, голографии, создания элементов интегральной оптики и др. Среди подобных приложений биосенсинг представляется актуальным в свете растущей потребности в компактных, массовых и точных устройств биоанализа и диагностики состояния здоровья человека. В данном случае применение структурированных поверхностей приводит к значительному увеличению чувствительности и разрешению (в некоторых случаях – на несколько порядков) таких стандартных методов оптического анализа, как флуоресцентный анализ, спектроскопия комбинационного рассеяния света, сенсоры на основе плазмонного резонанса и др. Несмотря на примечательные свойства структурированных поверхностей, одним из препятствий к их широкому внедрению в практическое использование является трудоемкость и высокая стоимость методов производства структур с необходимыми характеристиками. В настоящее время для создания периодических структур, массивов наночастиц благородных металлов применяются различные литографические методы, требующие дорогостоящего оборудования и длительного времени для получения больших по площади структур. Перспективной альтернативой является формирование термохимических лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур (ТЛИППС) лазерными импульсами фемтосекундной длительности. ТЛИППС, впервые полученные в 2013 г., представляют собой периодическую модуляцию рельефа поверхности металлов и полупроводников с периодом порядка или меньше длины волны, вызванной термохимической модификацией (оксидацией) материала под воздействием излучения. Особенностями ТЛИППС являются одностадийность процесса их формирования в обычных атмосферных условиях, высокая упорядоченность (отклонение по периоду не превышает 1 нм), изменение химического состава и одновременное образование множества параллельных структур в фокальной области, позволяющее структурировать произвольно большие площади поверхности с высокой производительностью путем сканирования образца одним лазерным пучком, что выгодно отличает данный метод от интерференционных методов, где требуется применение несколько пучков с необходимостью точной юстировки. Вследствие относительно недавнего начала активных исследований ТЛИППС остается множество неизученных особенностей их формирования, поиск новых режимов записи, а также возможных применений. Так, до настоящего момента, все исследования включали оксидные ТЛИППС, записанные в атмосфере воздуха. Формирование ТЛИППС в других внешних условиях с образованием, например, нитридов представляет значительный интерес, учитывая более высокую твердость нитридных соединений по сравнению с оксидами и их перспективность для плазмоники. Кроме того, как указано выше, ТЛИППС могут использоваться как инструмент для высокопроизводительного структурирования поверхности благородных металлов в целях повышения характеристик сенсоров, таких как сенсоры на основе плазмонного резонанса. Помимо создания структур на плоских поверхностях, представляет интерес их формирования на криволинейных границах, таких как оптическое волокно, в виду набирающей популярность концепции волоконных многопараметрических сенсоров. Работы по этим темам также не проводились, и демонстрация подобной технологии создания структур позволит расширить спектр возможных применений ТЛИППС, привлечь дополнительный интерес исследовательского сообщества и приблизить практическое внедрение массовых компактных устройств биодетектирования. Таким образом, тематика проекта является актуальной как с точки зрения фундаментальной науки, поскольку ее решение позволит выявить новые режимы взаимодействия лазерного излучения с веществом и, как следствие, новые режимы формирования термохимических ЛИППС, понять глубже механизмы их формирования, так и с точки зрения прикладных задач, поскольку это позволит создать новые методы и подходы к формированию высокоупорядоченных наноструктур из различных материалов (металл/оксид, металл/нитрид металла, полупроводник/диэлектрик), что откроет перспективы для различных практических применений в области нанофотоники, сенсорики, трибологии и фотовольтаике. Кроме того, в проекте планируется исследовать применение ТЛИППС для создания периодических модуляций рельефа на пленках благородных металлов, в том числе и на поверхности оптических волокон, что позволит улучшить характеристики сенсорных систем на основе поверхностного плазмонного резонанса.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта планируется достичь следующих результатов, соответствующих мировому уровню: - Разработана и создана методика формирования термохимических лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур (ТЛИППС) при воздействии фемтосекундного (фс) лазерного излучения на поверхность металлов и полупроводников в бескислородной атмосфере азота. - Детально исследована зависимость периода, высоты, химического состава структур от внешних условий (давления газа, скорость прокачки) и условий фемтосекундного лазерного воздействия (энергия импульсов, длительность импульса, длина волны, размер фокального пятна, направления поляризации, частота следования импульсов, скорость сканирования образца) на поверхности металлов и полупроводников в атмосфере азота. - Детально исследована зависимость периода, высоты, химического состава структур от условий фемтосекундного лазерного воздействия (энергия импульсов, длительность импульса, длина волны, размер фокального пятна, направления поляризации, частота следования импульсов, скорость сканирования образца) на поверхность предварительно напыленной пленки нитрида металла, нитрида полупроводника. - Исследованы оптические свойства полученных нитридных структур (спектры отражения, пропускания) в широком спектральном диапазоне, химический состав, морфология, а также внутренняя структура в зависимости от условий формирования. - Разработана методика последовательной записи ТЛИППС на поверхности различных металлов и полупроводников в два прохода с помощью линейно-поляризованного фемтосекундного лазерного излучения с взаимно перпендикулярными направлениями поляризации в каждом из проходов. - Определены оптимальные параметры по энергии импульсов, скорости сканирования и частоты следования импульсов для формирования упорядоченной гексагональных структур с изолированными металлическими (полупроводниковыми) областями, окруженными оксидными брустверами вследствие формирования ТЛИППС. - Разработана технология создания упорядоченных массивов наноструктур (наносфер) на основе ТЛИПСС и технологии лазерно-индуцированного прямого переноса (англ. laser-induced forward transfer (LIFT)). - Определены оптимальные значения энергии импульсов, количества импульсов, размера, поперченного профиля пучка, расстояния между «донорной» и «принимающей» подложкой для формирования упорядоченных массивов наносфер на «принимающей» подложке в процессе лазерно-индуцированного прямого переноса - Исследованы оптические свойства полученных по разработанной технологии структур (спектры отражения, пропускания) в широком спектральном диапазоне, а также форму наносфер в зависимости от условий воздействия. - Разработан метод формирования периодических решеток на пленках благородных металлов с помощью записи ТЛИППС на вспомогательной пленке материала, обеспечивающего образование высокоупорядоченных структур. - Созданы образцы сенсоров показателя преломления на основе возбуждения ППР с использованием структурированных с помощью ТЛИППС пленок благородных металлов в объемной схеме Кречмана. Проведено сравнение со стандартной схемой без структурирования поверхности металла. - Созданы образцы сенсоров показателя преломления на основе возбуждения ППР с использованием структурированных с помощью ТЛИППС пленок благородных металлов на оптическом волокне. Проведено сравнение со стандартной схемой без структурирования поверхности металла. - Разработан метод формирования упорядоченного периодического массива наночастиц на торцевой поверхности оптического волокна с помощью технологии лазерно-индуцированного прямого переноса (англ. «LIFT»). Оценена возможность использования данной структуры в задаче биодетектирования. - Разработана теоретическая модель формирования ТЛИППС на поверхности металлов полупроводников вследствие химических реакций окисления и нитридизации. Результаты численных расчетов по разработанной теоретической модели и сопоставления с результатами экспериментов. - Образцы практических устройств и технологий для задач нанофотоники, трибологии, сенсорных систем на основе ТЛИППС. Важным результатом проекта будут статьи в высокорейтинговых журналах, доклады на международных конференциях и симпозиумах. Таким образом, тематика проекта является актуальной как с точки зрения фундаментальной науки, поскольку ее решение позволит выявить новые режимы взаимодействия лазерного излучения с веществом и, как следствие, новые режимы формирования термохимических ЛИППС, понять глубже механизмы их формирования, так и с точки зрения прикладных задач, поскольку это позволит создать новые методы и подходы к формированию высокоупорядоченных наноструктур из различных материалов (металл/оксид, металл/нитрид металла, полупроводник/диэлектрик), что откроет перспективы для различных практических применений в области нанофотоники, сенсорики, трибологии и фотовольтаике. Кроме того, в проекте планируется исследовать применение ТЛИППС для создания периодических модуляций рельефа на пленках благородных металлов, в том числе и на поверхности оптических волокон, что позволит улучшить характеристики сенсорных систем на основе поверхностного плазмонного резонанса.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Целью проекта является исследование новых режимов формирования термохимических лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур (ТЛИППС), разработка теоретической модели их формирования и создание новых подходов и методов прямого лазерного формирования упорядоченных периодических наноструктур на основе ТЛИППС в различных конфигурациях. 1 год выполнения проекта был посвящен исследованию новых режимов формирования термохимических лазерно-индуцированных периодических структур при воздействии фс лазерного излучения в атмосфере азота на поверхности металлов и полупроводников, а также на предварительно напыленной пленке нитридов металлов. При выполнении работ были получены следующие результаты: 1. Разработана и создана методика формирования термохимических лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур (ТЛИППС) при воздействии фемтосекундного (фс) лазерного излучения на поверхность металлов и полупроводников в бескислородной атмосфере азота. 2. Установлено, что при воздействии сфокусированного фс ИК лазерного излучения на поверхность пленок гафния (Hf) наблюдается формирование высокоупорядоченных ТЛИППС с периодом ≈700 нм в большом диапазоне вариации скорости сканирования (100-2000 мкм/с) и мощности излучения (200-300 мВт) при изменении давления окружающего воздуха с 760 торр до 4 торр. Таким образом, несмотря на уменьшение содержания кислорода в окружающей среде на 2 порядка, формирование упорядоченных ТЛИППС происходит в больших пределах изменения параметров (энергия, скорость сканирования). При записи ТЛИППС в атмосфере азота на пленке Hf также наблюдается формирование упорядоченных структур с периодом 684 нм при мощности падающего излучения 300 мВт и скоростей сканирования до 2000 мкм/с. Однако при меньших мощностях (200 мВт), упорядоченная структура формируется только при малых скоростях сканирования до 300 мкм/с. При воздействии фемтосекундного лазерного излучения с длиной волны 1026 нм на поверхность титана (Ti) в атмосфере азота с повышенным давлением (2,5 атм.) получены режимы формирования упорядоченных структур ТЛИППС с периодом ≈950 нм при энергии импульсов 1 мкДж, скорости сканирования 1 мкм/с и частоты следования импульсов 200 кГц. Химический анализ показал, что в процессе воздействия фс лазерного излучения на пленку Ti в атмосфере с высокой концентрацией азота наблюдается как формирование нитрида титана TiN, так и рутила TiO2. Запись фс излучением с различной длиной волны от УФ до ИК выявила линейную зависимость периода структур от длины волны падающего излучения, что свидетельствует об интерференционной природе формирования ТЛИППС и открывает новые возможности по созданию периодических субволновых структур. Показано, что вариация параметров записи (энергия импульсов, скорость сканирования) позволяет существенно изменять поверхностную морфологию формируемых структур. При воздействии фемтосекундного лазерного излучения на поверхность пленки хрома (Cr) толщиной 20 нм в азотной атмосфере (2,5 атм.) наблюдается формирование упорядоченных ТЛИППС с периодом 680 ± 15 нм при скоростях сканирования 5-25 мкм/с в диапазоне изменения мощности 225-400 мВт. Химический анализ структур показал, что при воздействии на пленку Cr в случае высоких скоростей сканирования наблюдается формирование преимущественно оксидов хрома (Cr2O3 и CrO2), к которым добавляется нитрид хрома в случае малых скоростей сканирования. При воздействии фемтосекундного лазерного излучения на поверхность пленки циркония (Zr) c толщиной 20 нм в воздушной атмосфере (давление 1 атм.) было обнаружено формирование упорядоченных ТЛИППС с периодом 640 ± 15 нм в диапазоне изменения скорости сканирования 1-2000 мкм/с при вариации мощности 25-300 мВт. При этом в отличие от металлов, рассмотренных ранее (Ti, Hf, Cr), уже при 25 мВт было обнаружено формирование упорядоченных ТЛИППС. Обнаружено, что при записи в атмосфере азота (2,5 атм) при 300 мВт и 2000 мкм/с наблюдается более регулярная структура в сравнении с воздействием в воздушной атмосфере. Химический анализ структур показал, что при воздействии на Zr пленку в атмосфере азота (2,5 атм) в случае высоких скоростей сканирования наблюдается формирование ZrN, к которому добавляется оксид циркония в случае малых скоростей сканирования. Обнаружено формирование структур на поверхности пленки германия (Ge) с толщиной 106 нм с ориентацией перпендикулярно поляризации падающего фс излучения в воздушной и азотной атмосферах. При этом в первом случае период структур равен ≈680 нм. Несмотря на запись в один проход широким пучком диаметром 150 мкм при скорости сканирования 50 мкм/с наблюдается формирования отдельных решеток с периодом 950 нм и шириной в поперечном направлении 4-5 мкм, расположенных параллельно друг другу, и имеющие немодифицированные области исходной пленки Ge между ними. В азотной атмосфере (2.5 атм.) также наблюдается формирование упорядоченных ЛИППС в широком диапазоне мощностей 50 - 250 мВт и скоростей сканирования 1-25 мкм/с с периодом ≈680 нм с перпендикулярной ориентацией относительно направления поляризации падающего излучения. Химический анализ структур показал, что сформированные в воздушной и азотной атмосферах структуры имеют спектры КРС, которые соответствуют спектру Ge. Таким образом, в случае Ge наблюдается процесс абляционного формирования структур без образования оксидов и нитридов германия. Обнаружен новый перспективный режим наноструктурирования поверхности кристаллического кремния (Si), покрытого тонким (20 нм) слоем Hf в атмосфере азота (2,5 атм.), при котором наблюдается формирование высокоупорядоченных структур с периодом ≈450 нм, ориентированных перпендикулярно поляризации лазерного излучения, и высоким аспектным отношением (8). Показано, что запись в атмосфере азота приводит к формированию наиболее упорядоченных структур по сравнению с записью на воздухе и в слабом вакууме при максимальных скоростях сканирования (2000 мкм/с), что объясняется снижением влияния процесса окисления на формирование упорядоченных структур за счет процесса абляции материала с поверхности. Предложен механизм формирования данных структур за счет интерференции поверхностных плазмонов, распространяющихся во встречных направлениях. 3. Проведено исследование формирования ТЛИППС на пленках нитридов металлов и полупроводников при облучении фс лазерными импульсами с различной длиной волны и в различных газовых средах - воздухе, слабом вакууме и азоте под давлением 2,5 атм. В частности, установлено, что ТЛИППС формируются на пленках нитрида титана (TiN) толщиной 350-650 нм при воздействии излучения с длиной волны ближнего ИК и видимого диапазона, имеют различную морфологию, зависящую от толщины пленки, мощности лазерного излучения и скорости сканирования. При записи фс ИК импульсами (1026 нм) с частотой следования импульсов 200 кГц на образце толщиной 350 нм в воздушной среде наблюдается формирование упорядоченных структур с периодом ~670 нм, ориентированных параллельно поляризации излучения при мощностях 150-400 мВт и малых скоростях сканирования (1-25 мкм\с). Обнаружен режим формирования высокоупорядоченного гексагонального массива выступов высотой около 30 нм на образце толщиной 400 нм при мощности 200 мВт и скорости сканирования 3 мкм/с. В отличие от атмосферы воздуха, в случае вакуумной и азотной сред упорядоченность структур несколько ухудшается, при этом наблюдается абляция в центре трека записи на высоких мощностях и скоростях сканирования, что объясняется меньшим содержанием свободного кислорода, приводящим к затрате поглощенной энергии на абляцию, а не термохимические процессы. При записи с длиной волны излучения 513 нм и поляризацией, ориентированной перпендикулярно направлению сканирования, полученные на образце толщиной 400 нм структуры имеют период ~300 нм, ориентацию параллельно направлению поляризации и формируются при мощности 250 мВт и малых скоростях сканирования 1-5 мкм/с. Анализ химического состава методом КРС показал, что при записи ТЛИППС на пленках аморфного TiN формируются гибридные TiN/TiO2 структуры, при этом относительное содержание каждой из компонент может регулироваться путем выбора окружающей атмосферы и параметров записи. При воздействии фс лазерных ИК импульсов (1026 нм) на пленки нитрида гафния (HfN) наблюдается образование отдельных крупных областей модификации с размерами до десятка мкм. Нерегулярные слабоконтрастные ТЛИППС формируются в случае образца толщиной 250 нм в воздушной среде на мощностях в пределах 300 - 450 мВт на скорости сканирования 25 мкм/с. Обнаружено образование периодических структур с периодом около 275 нм при скоростях сканирования 200 мкм/с. В азотной среде наблюдается формирование ТЛИППС с периодом ~610 нм в диапазоне мощностей 325 - 450 мВт и при минимальной скорости 1 мкм/с, однако уже при повышении скорости до 5 мкм/с и выше наблюдается абляция плёнки. В случае пленок нитрида хрома (CrN) установлено, что при записи на длине волны 1026 нм как в воздушной, так и в азотной среде, высокоупорядоченные ТЛИППС с периодом ~660 нм образуются для образца толщиной 25 нм при скорости записи 1 мкм/с и мощности 250-425 мВт. При этом максимальная скорость для их формирования увеличивается с 5 до 25 мкм/с при повышении мощности от 250 мВт до 425 мВт, тогда как при более высоких скоростях сканирования наблюдается нарушение целостности плёнки. Увеличение толщины пленки CrN до 100 нм в целом приводит к образованию структур с более низкой упорядоченности. При записи с длиной волны излучения 513 нм, и в воздушной, и в азотной атмосфере ТЛИППС, сформированные на образце толщиной 25 нм при мощности 225 мВт и выше и при малых скоростях сканирования 1-5 мкм/с, обладают высокой упорядоченностью с периодом ~300 нм и параллельной ориентацией относительно поляризации падающего излучения, при этом упорядоченность ухудшается с повышением скорости сканирования. Исследование химического состава структур выявило появление оксидов хрома после лазерного воздействия. В частности, в измеренных спектрах КРС для ТЛИППС наблюдаются интенсивные линии характерные для Cr2O3, а также присутствует оксид CrO2, чья относительная доля изменяется в зависимости от мощности и скорости сканирования, и в зависимости от среды, в которой произошло формирование структуры. Установлено, что по причине низкого уровня поглощения созданных образцов пленок нитрида циркония (ZrN) и нитрида кремния (Si3N4) различной толщины воздействие фс лазерными импульсами в режиме записи ТЛИППС не приводит к какой-либо модификации пленок указанных материалов. Для пленок нитрида германия (Ge3N4) толщиной 40-500 нм при воздействии фс импульсов ближнего ИК диапазона обнаружены режимы формирования периодических структур различной морфологии и ориентации. В диапазоне мощности 150-350 мВт и скорости сканирования более 50 мкм/с для образца толщиной 40 нм наблюдается образование периодической структуры, направленной перпендикулярно поляризации падающего излучения и с субволновым периодом 250 нм. В случае пленки толщиной 500 нм обнаружена слабоупорядоченная структура с периодом ~400 нм с ориентацией выступов, изменяющейся со скоростью сканирования - вдоль поляризации для минимальных скоростей 1-3 мкм/с и перпендикулярно ей для более высоких скоростей. Проведенные эксперименты по записи на длине волны 513 нм показали, что для пленки толщиной 40 нм структурирование поверхности происходит во всем диапазоне используемых мощностей (150-225 мВт) при малых скоростях сканирования до 10 мкм/с с формированием слабоупорядоченной решетки с периодом ~450 нм с направлением линий вдоль поляризации. При записи в воздухе и в азотной атмосфере по достижении значения скорости порядка 1000 мкм/с наблюдается формирование перпендикулярно ориентированной периодической абляционной структуры, имеющей экстремально малый период около 120 нм. Измеренные спектры КРС для ТЛИППС, сформированных на пленке Ge3N4 толщиной 40 нм демонстрируют появление интенсивного сигнала, соответствующего чистому германию, после лазерного воздействия. Данная спектральная линия имеет существенно большую интенсивность для структур, образованных в азотной среде, по сравнению с записью в атмосфере воздуха. При этом не наблюдается появление иных мод, которые могли бы свидетельствовать о наличии оксидов германия. Таким образом установлено, что запись структур на пленке Ge3N4 приводит к его преобразованию в кристаллический Ge. По результатам 1 года опубликованы 3 статьи WoS/Scopus (из них 2 – в журналах 1 квартиля), представлено 3 доклада на международных конференциях, в том числе 1 приглашенный доклад.

 

Публикации

1. Белоусов Д.А., Бронников К.А., Окотруб К.А., Микерин С.Л., Корольков В.П., Терентьев В.С., Достовалов А.В. Thermochemical laser-induced periodic surface structures formation by femtosecond laser on Hf thin films in air and vacuum Materials, Том 14, выпуск 21, номер статьи 6714 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/ma14216714

2. Бронников К.А., Достовалов А.В., Окотруб К.А., Кучмижак А.А., Корольков В.П., Бабин С.А. Formation of thermochemical laser-induced periodic structures on titanium films in a nitrogen-rich atmosphere Proceedings of SPIE, Vol.11892, 118920W-1--118920W-6 pp. (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1117/12.2601459

3. Бронников К.А., Достовалов А.В., Терентьев В.С., Бабин С.А., Козлов А.Г., Пустовалов Е.В., Гуревич Е.Л., Жижченко А.Ю., Кучмижак А.А. Uniform subwavelength high-aspect ratio nanogratings on metal-protected bulk silicon produced by laser-induced periodic surface structuring Applied Physics Letters, том 119, выпуск 21, номер статьи 211106 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1063/5.0075045


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Формирование термохимических лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур (ТЛИППС) является привлекательным методом структурирования поверхности благодаря своей относительной простоте и гибкости. Поскольку для создания ТЛИППС используется один пучок, чей размер может на порядки превосходить период формируемых структур, то данный метод предъявляет невысокие требования к стабильности и точности системы позиционирования, по сравнению с методами создания поверхностных решеток с помощью интерференции в скрещенных пучках или построчной записью сфокусированным пучком. Указанное преимущество тем более примечательно в случае решеток с двумерной периодичностью, которые, в случае ТЛИППС, могут быть созданы путем двукратного сканирования поверхности лазерным лучом с ортогональным направлением линейной поляризации между проходами, так как ориентация штрихов решетки определяется направлением поляризации излучения. 2 год выполнения проекта был посвящен разработке технологии создания 2-мерных решеток (гексагональных, квадратных) на поверхности пленок различных металлов и полупроводников, разработке на их основе технологии лазерно-индуцированного прямого одновременного переноса большого количества наноструктур. При выполнении работ за данный период были получены следующие результаты: 1. Разработана методика последовательной записи ТЛИППС на поверхности различных металлов и полупроводников в два прохода с помощью линейно-поляризованного фемтосекундного лазерного излучения с взаимно перпендикулярными направлениями поляризации в каждом из проходов. 2. Определены оптимальные параметры по энергии импульсов, скорости сканирования и частоты следования импульсов для формирования упорядоченных гексагональных структур с изолированными металлическими (полупроводниковыми) областями, окруженными оксидными брустверами вследствие формирования ТЛИППС. Получены образцы упорядоченных двумерных структур с субволновым периодом. В частности, для пленок титана толщиной 30 нм получены упорядоченные ТЛИППС как с гексагональным, так и с квадратным типами решеток с периодами 660 нм при длине волны воздействующего фемтосекундного лазерного излучения 1026 нм. Оптимальные параметры для формирования данных структур составляют: плотность энергии в импульсе F = 100-140 мДж/см^2, скорость сканирования v = 1-10 мкм/с (число импульсов на точку N = 300-30*10^4). На пленке Ti толщиной 50 нм при энергии импульса образуются ТЛИППС с двумерной периодичностью преимущественно с квадратным типом решетки c периодом ≈680 нм по обоим направлениям. Высота выступов ТЛИППС отличается вдоль различных направлений: например, линии решетки, ориентированные вдоль движения пучка (и вдоль поляризации излучения в первом проходе) имеют высоту около 80-100 нм, тогда как высота перпендикулярных линий составляет ~50 нм. Диапазон оптимальных параметров составляет: плотность энергии в импульсе F = 140 мДж/см^2, скорость сканирования v = 1-100 мкм/с (N = 300-3*10^4). При воздействии на поверхности пленки Cr толщиной 20-30 нм упорядоченная гексагональная структура формируется на всей ширине трека (около 100 мкм) с периодом структур 690-700 нм. В случае пленки Cr толщиной 50 нм однородность формируемых ТЛИППС заметно ухудшается с появлением множественных дефектов и участков неупорядоченного окисления. Оптимальные параметры для формирования данных структур составляют: плотность энергии в импульсе F = 0.21-0.27 Дж/см^2) при максимальной скорости сканирования v = 100 мкм/с (N = 3*10^4). На пленке гафния толщиной 15 нм наблюдается формирование гексагональной периодической структуры с периодом ≈800 нм. Оптимальные параметры для формирования данных структур составляют: плотность энергии в импульсе F =0.11-0.170 Дж/см^2), v = 10-100 мкм\с (N = 30-3*10^4). При увеличении толщины пленки Hf до 30 нм образуются ТЛИППС с гексагональной периодичностью. Оптимальные параметры для формирования данных структур составляют: плотность энергии в импульсе F =0.17-0.23 Дж/см^2 при v = 10-2000 мкм/с (N = 30-0,15*10^4). Были проведены эксперименты по записи ТЛИППС с двумерной периодичностью на пленках полупроводников (аморфного кремния а-Si и германия а-Ge) различной толщины (50, 100, 200, 350 нм). Не обнаружено формирование упорядоченной двумерной решетки на исследовавшихся пленках. На образцах толщиной 50 и 100 нм при записи с малыми скоростями 1-5 мкм/с наблюдается линейная структура с ориентацией линий вдоль поляризации. 3. Разработана технология создания упорядоченных массивов наноструктур на основе ТЛИППС и технологии лазерно-индуцированного прямого переноса (англ. laser-induced forward transfer (LIFT)). В данном случае подложка с изначально сформированными гексагональными ТЛИППС, которая называется «донорной», располагается над «целевой» чистой подложкой (в прямом контакте или на некотором расстоянии от нее). При воздействии гауссова пучка с диаметром 30 мкм существенно превышающим период структур (менее 1 мкм) происходит одновременный перенос большого количества наноструктур на целевую подложку. 4. Определены оптимальные значения энергии импульсов, количества импульсов, размера, поперченного профиля пучка, расстояния между «донорной» и «целевой» подложкой для формирования упорядоченных массивов наноструктур на «целевой» подложке в процессе лазерно-индуцированного прямого переноса. В частности установлено, что режим одноимпульсного фс лазерного воздействия с гауссовым профилем интенсивности является наиболее оптимальным для переноса структур. При этом оптимальная плотность энергии для переноса упорядоченных структур зависит от материала пленки, на которой были сформированы ТЛИППС: 0.75-1.25 Дж/см^2 для пленок титана толщиной 30-50 нм, 0.65-1.1 Дж/см^2 для хрома толщиной 20-30 нм, 0.9-1.7 Дж/см2 для пленок гафния толщиной 15-30 нм. 5. Исследованы оптические свойства полученных по разработанной технологии структур (спектры отражения, пропускания) в широком спектральном диапазоне, а также форму наноструктур в зависимости от условий воздействия. В частности установлено, что при переносе с пленки Ti толщиной 50 нм при плотности энергии 1,25 Дж/см^2 на целевой подложке формируется гексагональная решетка с периодом 950-1000 нм, что отличается от исходного периода структуры 680 нм. При этом отдельный элемент структуры имеет кольцеобразную форму с провалом в центре и высотой около 50 нм. Данную морфологию структуры в данном случае можно объяснить гидродинамическими эффектами растекания расплавленного металлического материала наносферы при соприкосновении с подложкой в процессе переноса с «донорной» подложки, которая ранее наблюдалась в процессе переноса отдельных металлических наночастиц. Структуры полученные в ходе реализации проекта с квадратной или гексагональной решеткой, могут применяться для создания поверхностей с частотной селективностью, антиотражающих покрытий, дифракционных оптических элементов. ТЛИППС с двумерной периодичностью также могут быть использованы для создания массивов частиц на целевой поверхности путем лазерно-индуцированного прямого переноса, где облучение импульсами записанных ТЛИППС с тыльной стороны через подложку приводит к переносу материала с аналогичной периодичностью на контактирующую поверхность. Это расширяет возможности по выбору материала, на котором требуется создать периодическую структуру, включая материалы, где образование упорядоченных ТЛИППС невозможно. Кроме того, такие массивы частиц перспективны для различных практических применений в области нанофотоники, сенсорики, трибологии и фотовольтаике. В отчетном периоде была опубликована статья в журнале «Nanomaterials» (I.F. = 5.7) из Q1, а также одна статья была принята к печати в российском журнале «Квантовая электроника» (I.F. = 1.2) из Q2. Представлено 6 докладов на международных конференциях, в том числе 2 приглашенных доклада, 1 устный и 3 постерных доклада.

 

Публикации

1. Бронников К.А., Гладких С.А., Окотруб К.А., Корольков В.П., Кучмижак А.А., Достовалов А. В. Формирование лазерно-индуцированных периодических структур на тонких пленках нитридов переходных металлов и полупроводников Квантовая электроника, - (год публикации - 2022)

2. Бронников К.А., Гладких С.А., Окотруб К.А., Симанчук А.Э., Жижченко А.Ю., Кучмижак А.А., Достовалов А.В. Regulating Morphology and Composition of Laser-Induced Periodic Structures on Titanium Films with Femtosecond Laser Wavelength and Ambient Environment Nanomaterials, том 12, выпуск 3, стр.1-11 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/nano12030306


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проект посвящен исследованию эффекта формирования лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур (ЛИППС) - уникальному явлению, которое наблюдается при воздействии лазерного излучения в виде ультракоротких импульсов высокой интенсивности на поверхность различных материалов (металлов, полупроводников и диэлектриков) в фокальной области. Субволновой период данных структур, возможность контролировать ориентацию, морфологию и другие параметры ЛИППС привлекают в последнее время внимание исследователей по всему миру к изучению данного явления, поскольку это открывает возможности по контролируемому, высокопроизводительному структурированию поверхности различных материалов на субмикронном масштабе с помощью одностадийного процесса, который не требует специальных внешних условий (высокий класс чистоты помещений, высокий вакуум) в отличие от трудоемких и дорогостоящих литографических методов. 3 год выполнения проекта был посвящен разработке методики формирования периодической решетки на тонких пленках благородных металлов (Au, Ag) на основе упорядоченных ЛИППС структур, исследованию применимости данной периодической структуры для сенсора показателя преломления на основе поверхностного плазмонного резонанса (ППР), разработке методики записи упорядоченных гексагональных и одномерных ЛИППС структур на торцевой и боковой цилиндрической поверхности оптических волокон различного диаметра, а также D-shaped волокнах, для создания волоконных сенсоров показателя преломления. При выполнении работ за данный период были получены следующие результаты: Разработана методика последовательного формирования периодической решетки на тонких пленках благородных металлов (Au, Ag), состоящая в записи упорядоченных ТЛИППС на вспомогательной пленке материалов (Ti, Cr, Si) и последующего напыления на них пленок благородных металлов. Были созданы образцы упорядоченных как 1D, так и 2D гексагональных и квадратных структур с периодами в диапазоне 650-850 нм на пленках различных материалов (Ti, Cr, Si) при вариации толщин 30-100 нм с последующим напылением тонких пленок благородных металлов (Au, Ag). Исследованы особенности рельефа полученных структур с высоким пространственным разрешением, которые показали, что исходный рельеф ТЛИППС структур существенным образом не изменяется после напыления пленок благородных металлов. Исследована применимость данной периодической структуры для сенсора показателя преломления на основе поверхностного плазмонного резонанса (ППР), в результате чего показано, что при изменении показателя преломление на 0.03 приводит к линейному сдвигу минимума отражения на 25 нм. Поученные результаты по формированию упорядоченных структур на тонких пленках благородных металлов могут найти применение в области биосенсинга (например, для многократного усиления сигнала гигантского комбинационного рассеяния света ГКРС по сравнению с гладкой поверхностью), нанофотоники (например, для эффективного возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов при воздействии лазерного излучения), оптоэлектроники (например, для усиления испускания или поглощения излучения за счет плазмонных резонансов в металлических периодических структурах) и др. Разработана технология записи упорядоченных структур ЛИППС на боковой цилиндрической поверхности оптического волокна, а также D-shaped волокнах. Показана возможность формирования структур на криволинейных поверхностях с существенным изменением высоты профиля поверхности, что невозможно сделать с помощью альтернативных методов из-за ограничений, связанных с ограниченной глубиной фокусировки используемых высокоапертурных объективов. Продемонстрировано формирование структур ТЛИППС на боковой поверхности бессердцевинного волокна, в котором показана возможность выведение излучения из волокна в окружающую среду через созданные структуры, что актуально для многих задач биофотоники, малоинвазивной лазерной хирургии (англ. Endovenous laser therapy (EVLT)) и сенсорики. При этом направление выведение излучения зависит от длины волны излучения, падающего на структуру, что открывает дополнительные возможности по управлению процессом лазерного воздействия. Кроме того, данная структура может использоваться для заведения излучения в волокно через боковую поверхность, что также актуально для многих задач сенсорики, где требуется зарегистрировать сигнальное излучение в труднодоступных областях (например, при исследовании стенок кровеносных сосудов). Разработана технология создания гексагональных и одномерных лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур для формирования массива наноструктур на торцевой поверхности оптического волокна. Были созданы образцы периодических структур, сформированных на пленке титана, хрома, напыленных на торец различных оптических волокон. При этом максимальная дифракционная эффективность, измеренная на длине волны 632,8 нм, составила 6%. Выполнено численное моделирование оптических свойств данных структур, которое показало, что основная энергия сосредоточена в 0 порядке, а также в 1 и -1 порядках, интенсивность в которых зависит как от толщины пленки металла, так и от материала пленки и длины волны падающего излучения. Распределение интенсивности, которое формируется в результате дифракции излучения на структуре ТЛИППС, может быть использовано как для выведения излучения из волокна под определенными углами, значительно превышающие исходный угол расходимости излучения из волокна (<10 градусов), так и наоборот для заведения излучения из внешнего пространства в волокна под большими углами, при которых излучение без структур не заводится. Измеренная эффективность заведения составила 1%, что более чем на 3 порядка выше, чем при заведении при использовании неструктурированного волокна. Таким образом, полученные результаты открывают широкие возможности по использованию полученных структур для многих практических применений как для выведения излучение из сердцевины волокна под большими углами, так и наоборот для сбора излучения в волокно с большого телесного угла. Первое может найти применение, например, в малоинвазивной лазерной хирургии и терапии, где необходимо обеспечить равномерность воздействующего излучения и соответственно больший телесный угол вывода воздействующего излучения из оптического волокна. Во втором случае, увеличение телесного угла, с которого осуществляется заведение излучение в волокно, может применяться для задач биофотоники и сенсорики, где требуется зарегистрировать сигнальное излучение в труднодоступных областях (например, при исследовании стенок кровеносных сосудов). В отчетный период была подготовлены и опубликованы 2 статьи, в том числе одна в высокорейтинговом журнале Optics and Laser Technology (Q1, I.F.=5). Члены научного коллектива представили результаты работ на международных конференциях в виде устных докладов, в том числе одного приглашенного.

 

Публикации

1. Бронников К.А., Гладких С.А., Мицай Е.В., Модин Е.Б., Жижченко А.Ю., Бабин С.А., Кучмижак А.А., Достовалов А.В. Highly regular nanogratings on amorphous Ge films via laser-induced periodic surface sublimation Optics & Laser Technology, Volume 169, February 2024, 110049 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2023.110049

2. Достовалов А.В., Бронников К.А., Гладких С.А., Мицай Е.В., Жижченко А.Ю., Кучмижак А.А. Highly regular nanogratings formation on amorphous semiconductors films by femtosecond laser radiation Proceedings SPIE, Volume 12762, Advanced Laser Processing and Manufacturing VII; 127620A (2023) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1117/12.2687393

3. Бессмельцев В.П., Корольков В.П., Достовало А.В., Бабин С.А. Precision laser technologies for optical instrumentation BOOK OF ABSTRACTS "The 30th International Conference on Advanced Laser Technologies", LM-I-20 (год публикации - 2023)

4. Бронников К.А., Гладких С.А., Кучмижак А.А., Мицай Е.В., Достовалов А.В. Laser-induced periodic structures on amorphous germanium thin films Abstract "Days of Difraction", стр. 75-76 (год публикации - 2023)

5. - ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ СОЗДАЮТ В СО РАН Наука.рф — официальный сайт Десятилетия науки и технологий в России., - (год публикации - )

6. - В ИАиЭ СО РАН исследуют формирование упорядоченных периодических структур на поверхности титана, хрома, гафния, кремния и германия Пресс-служба ИАиЭ СО РАН, - (год публикации - )

7. - Исследование формирования упорядоченных периодических структур на поверхности металлов и полупроводников Официальный сайт Российской академии наук, - (год публикации - )