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      納米級激光加工,激光設備生產新工藝

      日期:2016-07-04 來源:鼎城鋅鋼
      激光器已 被廣泛應用于工業,例如在高性價比的激光設備制造系統中用作可靠的能源,進行標記、鉆孔、淬火和表面處理。目前的工業發展要求將設備的形體尺寸降低達到亞 微米甚至 納米級。作為一種無掩膜和非接觸工藝,激光納米加工具有設置靈活以及能夠在空氣、真空或液體環境中操作的獨特優點,因此成為更廣泛應用的一種最具吸引力的 加工或制造工具。
      目前已經開發一些新技術來加工功能性納米結構。工業應用的關鍵問題是在大規模生產中如何在短時間內產生大面積的納米結構。本文介紹了潛在大規模生產的一些多功能激光納米加工方法,另外還簡要討論了滿足亞20nm分辨率的激光納米加工進一步發展的前景。
      微球體陣列輔助激光納米加工
      激光納米加工的關鍵挑戰是如何將空氣中的紫外線或可見激光光束聚焦到亞100nm,從而克服光學衍射限制。我們的研究顯示,自排列或大面積旋轉涂抹形成 的透明微球體陣列能夠將入射激光光束分離為成千上百萬的微小光束,還能用作透鏡,聚焦這些微小光束以開展表面納米制圖。如圖1(a)所示,局部光線密度大 幅增強,并以平行模式加工樣品。這種技術采用通常的二維(2D)微球體陣列將入射激光光束聚焦到基板,因此,只需幾次激光輻射脈沖,即能夠采用單步表面制 圖方法在基板上產生成千上百萬的亞微米孔洞。激光納米加工之后,采用傳統超聲波清潔可以清除微球體。靈活控制激光光束掃描外形,可以形成復雜的納米結構設 計,例如圖1(b)所示的星形陣列。

      激光干涉光刻
      激光干涉光刻(LaserInterferenceLithography,LIL)是在短時間內形成大面積周期納米結構(例如納米點或納米線陣列)的 一種功能強大的工具。只需暴露紫外線幾分鐘,然后采用光致抗蝕刻和化學蝕刻或者剝離工藝,即能夠在金屬薄膜上形成等離子體納米結構。激光光束的相干長度是 大面積(厘米級)兩次光束干涉的一個關鍵因素。一次激光輻照形成納米線性陣列,將樣品旋轉90°之后,另一次激光輻照用于形成納米點陣列。通過控制輻照時 間和輻照方案,能夠形成各種納米結構,形狀范圍從矩形到三角形和橢圓形。通過化學腐蝕也可以將光致抗蝕刻層形成的2D納米結構傳輸到基板,以形成2.5D 納米結構。圖2(a)顯示了嵌入硅基板內部的金屬納米點陣列,圖2(b)顯示了LIL形成的納米柱陣列。

      飛秒激光雙光子聚合納米光刻
      上述激光納米加工技術用于在樣品表面形成2D大面積納米結構。飛秒激光雙光子聚合(Two-photon-polymerization,2PP)納米 光刻是形成任意大面積3D納米結構的一種前景光明的方法。當飛秒激光光束聚焦于光敏材料上時,則通過雙光子非線性吸收來激活聚合過程。采用電腦控制飛秒激 光光束掃描外形,以形成任意設計的3D結構。激光掃描之后,沖洗掉未照射的光敏材料。由于工藝的光輻照閾值效應和非線性光吸收性質,靈活控制激光脈沖能源 和脈沖重復率以形成圖3所示的功能性3D納米結構,可以形成光學衍射限制(最低60nm)之外的超分辨率。
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