長三角G60激光聯盟導讀

本文綜述了直接飛秒激光表面納米/微結構及其應用的一個新領域。本文為第二部分。

6、納米結構織構微結構

6.1納米結構織構錐形和柱狀微結構

1998年，Her等人報告了在500 Torr SF6或Cl2中通過飛秒激光輻照硅產生尖銳的圓錐形微結構，并在N2、Ne或真空中通過燒蝕產生鈍錐形微結構。在這項工作之后，關于環境介質對硅微觀結構影響的其他詳細研究已經報告。已經發現，在SF6和Cl2中產生的微像具有尖銳的錐形，而在其他氣體和真空中形成的微像是鈍的。結構中的這些形態差異歸因于SF6和Cl2的高化學反應性。關于在SF6中通過飛秒激光輔助蝕刻形成的尖銳圓錐形微球的形態的詳細研究表明，其表面覆蓋著尺寸為10-50nm的不規則納米結構。研究了激光參數（脈沖持續時間、激光注量和脈沖數）對硅微結構的影響。發現在SF6存在下產生的微像尺寸隨著激光脈沖持續時間的減少而減小。

750脈沖KrF準分子激光在500TorrSF6存在下以4 Hz的重復頻率傳輸脈沖后，在Si（1 0 0）上形成的Si微柱的SEM照片（45°）。

微結構的密度也取決于激光脈沖持續時間：較短的激光脈沖，此外，納秒激光脈沖產生的微裂紋比飛秒激光脈沖形成的微裂紋光滑得多。激光注量顯著影響微裂紋的形態。激光注量增加到約1J/cm2會導致微針孔的高度、基底直徑和間距增加，而密度降低。足夠高的激光注量值也是在微球狀壁上生成納米結構的一個重要因素。

通過直接燒蝕在金屬上制備柱狀微結構已得到證明，其中對在空氣中燒蝕在鈦上產生的微結構進行了詳細研究。研究發現，通過改變激光參數，可以控制產生各種形狀和尺寸的柱狀結構。例如，圖8顯示了隨著激光發射次數的增加，鈦表面形貌從納米結構演變為柱狀微結構。由于潛在的生物醫學和光學應用，在許多其他工作中研究了金屬柱狀微結構的超快激光制造。Nayak等人在Ti、al、Cu和不銹鋼上制備了錐形微/納米結構，并研究了激光注量、激發次數和氣體環境對其形成的影響。飛秒激光產生的柱狀微結構的一個獨特特征是疊加在微柱表面的精細納米亞結構。制作了柱狀微結構，其具有不規則納米結構，如圖8e所示。用FLIPSS織構的錐形柱狀微結構已制造。

圖8 F=1.35 J/cm2的飛秒激光處理后鈦的表面納米和微觀形貌。

6.2納米結構紋理微槽結構

第3節中討論的FLIPSS技術能夠產生實際上限為幾微米的光柵。然而，在許多應用中，例如微流體、光流體以及紅外、太赫茲和毫米波范圍內材料光學特性的修改中，需要周期大于5–10μm的光柵。通過在緊密聚焦的激光束上掃描處理過的樣品，可以很容易地在固體上產生這些光柵。使用這種直接飛秒激光燒蝕技術，可以在金屬、半導體、玻璃和生物（人牙釉質和牙本質）表面上產生單個擴展微槽或一組平行微槽。研究表明，直接飛秒激光燒蝕產生的微槽被不規則納米結構廣泛覆蓋。在鉑和玻璃上產生的納米結構紋理微槽的示例分別如圖9和10所示。圖9所示的表面圖案使鉑呈現黑色。圖9a展示了周期性平行微槽的整體視圖，其周期等于相鄰掃描線之間的掃描步長（約100μm）。如圖9c和d所示，微槽的脊和谷具有豐富的不規則納米/微結構，包括納米空穴、納米突起和由熔融納米顆粒形成的微尺度聚集體。圖10 d顯示，在玻璃表面上制造的微槽表面也具有不規則納米結構的廣泛紋理。因此，超短激光脈沖產生的微槽是分層結構。還可以使用掩模投影技術在固體表面上制造微槽。該技術能夠以高處理速度生產高質量的微槽陣列。

圖9 通過光柵掃描在鉑上產生的納米結構紋理平行微槽陣列。