Перспективные режимы формирования субволновых лазерно-индуцированных периодических структур фемтосекундным излучением

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 проекта 21-72-20162

НазваниеПерспективные режимы формирования субволновых лазерно-индуцированных периодических структур фемтосекундным излучением

Руководитель Достовалов 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

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

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

Ключевые слова Термохимические 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.1117/12.2601459

2. 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)
10.3390/ma14216714

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)
10.1063/5.0075045

4. 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)
10.3390/nano12030306

5. 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)
10.1016/j.optlastec.2023.110049

6. 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)

7. 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)

8. 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)

9. 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)
10.1117/12.2687393

10. Бронников К.А., Терентьев В.С., Симонов В.А., Федяй В.Е., Бабин С.А., Жижченко А.Ю., Кучмижак А.А., Достовалов А.В. Highly regular nanogratings on metal and amorphous semiconductor thin films: diversity of formation mechanisms, properties and applications The 31st international conference Advanced Laser Technologies (ALT 2024), стр. 238 (год публикации - 2024)

11. Бронников К.А., Гладких С.А., Микерин С.Л., Терентьев В.С., Симонов В.А., Кучмижак А.А., Достовалов А.В. 2D Laser-Induced Periodic Surface Structures Formation on Thin Metal Films by Femtosecond Laser Radiation International Conference Laser Optics (ICLO) (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624553

12. Бронников К.А., Гладких С.А., Терентьев В.С., Симонов В.А., Микерин С.Л., Бабин С.А., Кучмижак А.А., Достовалов А.В. Femtosecond Laser-Induced Periodic Surface Structures Formation on optical fibers 2024 International Conference Laser Optics (ICLO) (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624481

13. Ярошенко В.В., Ларин А.О., Сюбаев С.А., Важенин И.И., Кустов П.Н., Долгинцев Д.М., Агеев Э.И., Гурбатов С.О., Максимова А.А., Новикова К.Н., Бабин С.А., Козлов А.Г., Достовалов А.В., Кучмижак А.А., Зуев Д.А. IR Hidden Patterns for Security Labels The Journal of Physical Chemistry Letters, volume 15, issue 38, pages 9714-9722 (год публикации - 2024)
10.1021/acs.jpclett.4c02051

14. Бронников К.А., Терентьев В.С., Симонов В.А., Федяй В.Е., Симанчук А.Э., Бабин С.А., Лапидас В.С., Мицай Е.В., Черепахин А.Б., Junjie Zhang, Жижченко А.Ю., Кучмижак А.А., Достовалов А.В. Highly Regular Laser-Induced Periodic Surface Structures on Titanium Thin Films for Photonics and Fiber Optics ACS Applied Materials & Interfaces (год публикации - 2024)
10.1021/acsami.4c15455

15. Бронников К.А., Терентьев В.С., Симонов В.А., Федяй В.Е., Симанчук А.Э., Бабин С.А., Кучмижак А.А., Достовалов А.В. Запись лазерно-индуцированных периодических структур на поверхности оптических волокон фс лазерным излучением Международный семинар по волоконным лазерам, 19-25 августа 2024 г., Новосибирск, стр. 115 - 116 (год публикации - 2024)
10.31868/RFL.2024.115-116

16. Федяй В.Е., Терентьев В.С., Симонов В.А., Корольков В.П., Бронников К.А., Бабин С.А., Кучмижак А.А., Достовалов А.В. Формирование дифракционных оптических элементов на торцевой поверхности волоконных световодов ХХI Международная конференция по голографии и прикладным оптическим технологиям, 09–13 сентября 2024 г. г. Казань, Россия, стр. 318 - 320 (год публикации - 2024)

17. Бронников К.А., Терентьев В.С., Симонов В.А., Федяй В.Е., Бабин С.А., Кучмижак А.А., Достовалов А.В. Highly-Uniform Thermochemical Laser-Induced Periodic Structures Formed by Femtosecond Laser Pulses The First Siberian-Attica International Workshop on Laser Processing for Thermophysical Applications 28–29 June 2024, стр. 6 (год публикации - 2024)
10.25205/978-5-4437-1667-1-3

18. Мункуева Ж.Э., Бронников К.А., Терентьев В.С., Симонов В.А., Микерин С.Л., Бабин С.А., Кучмижак А.А., Достовалов А.В. Laser-induced periodic structures-assisted surface plasmon resonance refractive index sensor SPIE Proceedings, Volume 13245, Plasmonics VIII; 132450X (год публикации - 2024)
10.1117/12.3036456

19. Федяй В.Е., Бронников К.А., Терентьев В.С., Симонов В.А., Бабин С.А., Кучмижак А.А., Достовалов А.В. Формирование лазерно-индуцированных периодических структур на торцевой поверхности оптических волокон Квантовая электроника, 7 номер, стр. 418 - 423 (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 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. 4 год выполнения проекта был посвящен: систематизации экспериментальных данных по режимам формирования ЛИППС на различных материалах (пленках металлов, полупроводников и нитридов, а также многослойных образцов), при воздействии фемтосекундного лазерного излучения, полученных в ходе реализации проекта; разработке теоретической модели формирования ЛИППС, выполнению расчетов по разработанной модели и сравнению с экспериментом; исследованию новых режимов формирования ЛИППС перспективных с точки зрения направлений практического применения для задач нанофотоники, волоконной оптики, сенсорных применений; созданию образцов практических устройств и технологий на основе ТЛИППС. При выполнении работ за данный период были получены следующие результаты: - Проведена систематизация экспериментальных данных по режимам формирования ЛИППС и определены области изменения экспериментальных параметров, для записи упорядоченных структур на различных материалах (металлах: Ti, Cr, Hf, Zr, Al, полупроводниках: Si, Ge, нитридах: TiN, CrN, а также в случае многослойных образцов, состоящих из полупроводника с напыленным слоем металла: Si+Cr, Si+Hf), как за счет механизмов термохимических реакции окисления или изменения фазовых состояний (переход из аморфной фазы в кристаллическую), так и за счет механизмов абляции материала, а также процесса сублимации, т. е. перехода материала из твёрдой фазы в газовую. - Разработана теоретическая модель формирования ЛИППС на поверхности металлов и полупроводников, включающая интерференцию падающего и рассеянного фемтосекундного лазерного излучения, возбуждение и интерференцию поверхностных плазмон-поляритонов на границе раздела металл/диэлектрик, полупроводник/диэлектрик, учитывающая гидродинамические эффекты в случае локального плавления материала, образование оксида в результате реакции окисления, поляризацию падающего излучения и угол падения при воздействии на криволинейную поверхность. Выполненные численные расчеты по разработанной теоретической модели в случае термохимических ЛИППС качественно воспроизводят экспериментальные результаты, в том числе такие нетривиальные явления, как формирование двумерных решеток с гексагональной и квадратной периодичностью, а также изменение морфологии и упорядоченности ЛИППС при записи на цилиндрической поверхности оптического волокна с различной ориентацией поляризации. В случае абляционных ЛИППС расчетные значения периода структур количественно согласуются с экспериментальными для ЛИППС, сформированных как на металле (гафний), так и на полупроводнике (германий) - Получены режимы формирования высокоупорядоченных структур на пленках Ti с величиной отклонения в периоде ΔΛ/Λ≈0,0004 и дисперсией угла ориентации DLOA≈2º. Показана возможность масштабирования регулярных решеток, а также возможность записи ТЛИППС на криволинейных поверхностях (например, боковых поверхности оптических волокон). Продемонстрирована возможность увеличения амплитуды пространственного профиля решетки ЛИППС за счет послойного формирования структур с последовательным напылением нескольких слоев металлических пленок. Получены новые режимы формирования ЛИППС структур на многослойных образцах, состоящих из слоев Si−Er−Si, при которых различная морфология структур позволяет контролировать оптические свойства данных структур и сигнал фотолюминесценции, что перспективно для создания защитных меток. - Созданы образцы практических устройств и технологий на основе ТЛИППС. В частности, продемонстрированы образцы плазмонных сенсоров показателя преломления решётчатого типа на основе структур, созданных по технологии последовательного формирования ТЛИППС на тонких пленках титана и последующего напыления пленки благородных металлов. Оптимизация параметров структур позволила достичь амплитуды резонанса 76% и спектральной ширины ≈4,5нм с результирующим Q-фактором ≈150, что превосходит ранее достигнутые параметры плазмонных решеток на основе ЛИППС. Исследование чувствительности созданного сенсора показателя преломления подтвердило высокий оптический отклик плазмонных сенсоров на малые изменения окружающего показателя преломления, открывая возможность измерений на субнанометровом уровне, необходимом, например, для методики молекулярного распознавания. Кроме того, показано, что данный тип структур ТЛИППС может применяться для разработки волоконного спектрометра с точностью определения длины волны 40 пм, а с учетом субпиксельной интерполяции 5 пм. Показаны практические применения ЛИППС, сформированных на многослойных пленках полупроводников для создания защитных меток. Разработаны и созданы образцы поляризационно-чувствительных фотодетекторов на основе регулярных ЛИППС двух типов (плазмонные и термохимические), сформированных на активной области покрытого 20-нм пленкой хрома вертикального кремниевого p-n перехода. При напряжении смещения в -1 В максимальный поляризационный контраст фотоотклика наблюдается в диапазоне 750 – 900 нм, коррелируя с вариацией коэффициента отражения в ортогональных поляризациях, при этом лазерное структурирование не оказывает существенного влияния на динамические характеристики устройства. В отчетный период были опубликованы 3 статьи, 2 из которых в высокорейтинговых журналах: «The Journal of Physical Chemistry Letters» (Q1, I.F.=4,8) и «ACS Applied Materials & Interfaces» (Q1, I.F.= 8.5). Еще одна статья принята в печать в ведущий российский научный журнал «Квантовая Электроника». Члены научного коллектива представляли результаты работ на международных конференциях в виде постерных, устных и приглашенных докладов.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Разработанные методы, подходы и технологии могут послужить основой для создания следующих оптических элементов и приборов: 1. Быстрое и относительно дешевое изготовление дифракционных элементов типа дифракционных решеток, одномерных и двумерных с периодом 1300 штрихов / мм на длине волны фемтосекундного излучения 1026 нм, и свыше 5000 штрихов / мм на длине волны 256 нм. 2. Разработка технологии создания уникальных голографических меток на поверхности товаров для их защиты от подделок. 3. Изготовление интегрально-оптических элементов, например вводных / выводных решеток. 4. 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. 5. Возможной областью применения ЛИППС является биомедицина, с помощью которых можно ингибировать образование бактериальной биопленки и влиять на рост клеток. Возможно применение результатов работы в малоинвазивной лазерной хирургии и терапии, где необходимо обеспечить равномерность воздействующего излучения и соответственно больший телесный угол вывода воздействующего излучения из оптического волокна. Также, 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).