一种利用飞秒激光制造有序亚波长纳米条纹的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用飞秒激光制造有序亚波长纳米条纹的方法，包括：利用单束飞秒激光照射由金属和半导体组成的复合薄膜；所述金属薄膜由高损耗的材料蒸镀或溅射而成，所述半导体薄膜由光学波段较高吸收，且易发生氧化反应的材料组成。在飞秒激光作用下，所述复合薄膜表面激发出准圆柱波，其与入射激光发生干涉，形成周期性分布的氧化条纹；所述条纹取向与入射的飞秒激光的偏振方向垂直。与入射的飞秒激光的偏振方向垂直。

【技术实现步骤摘要】
一种利用飞秒激光制造有序亚波长纳米条纹的方法


[0001]本专利技术属于激光先进微纳制造领域，具体是涉及一种在金属
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半导体复合薄膜表面利用飞秒激光照射自组织形成周期性亚波长氧化条纹结构的制造方法。

技术介绍

[0002]由亚波长的周期性纹理结构组成的图像能通过光学衍射原理使图像随着观察角度的改变而呈现色彩丰富化和多样化，因此具有相当高的艺术和防伪价值。目前广泛用于加工周期性纳米结构的成熟技术包括电子束曝光、聚焦离子束刻蚀、纳米压印、激光直写、激光干涉和化学合成等。然而这些技术，或依赖昂贵且复杂的操作系统；或依赖特殊的材料；或制备效率低下，不能进行大面积加工；或加工过程可控性不高。因此，开发可快速制备、大面积加工、低成本、可控、高质量的亚波长周期性表面纹理结构制造方法，具有重要的科学意义和工业应用价值。
[0003]单束激光诱导自组织周期性表面结构为上述需求提供了可能性。虽然人们对激光诱导自组织条纹结构的研究已超过了半个世纪，但该方法仍未能作为微纳加工技术得到有效的推广。其根本原因是激光诱导自组织过程不可控，从而导致产生的条纹结构长程无序，具有很大的随机性。为了解决这一问题，人们提出了一些方案。比如，利用飞秒激光诱导热化学反应产生由氧化物颗粒堆积。这种条纹结构的形成过程存在一个非局域反馈效应，能在一定程度上提高自组织周期性结构的规整度。又如，利用高能量飞秒激光诱导的“强烧蚀”(strong ablation)效应，使表面材料迅速气化蒸发，减少表面碎屑；或者利用飞秒激光脉冲时空整形技术，通过烧蚀冷却的方法减少表面碎屑对表面电磁波的干扰，从而提升周期性条纹结构的规整度。再如，利用光学损耗高的金属材料(Ti,Cr,Mo)等减小表面等离激元的衰减长度来提升表面电磁波的相干性。
[0004]上述方法均可一定程度上提高自组织条纹结构的规则度，但都有一个前提，那就是需要采用小光斑(光斑直径一般<10个波长)逐点扫描的方式进行。这是因为当使用大光斑时，在光斑照射区域存在大量随机的表面缺陷，这些缺陷会作为随机的“种子”，导致自组织条纹结构出现分叉和紊乱。采用小光斑扫描虽然可以有效地减少稳态曝光区域内随机“种子”的数量，提升周期性条纹结构的规则度，但这并不能确保得到非常准直的周期性条纹结构。这是因为在光斑移动的过程中，在光斑中心的位置仍然会不断出现新的随机的“种子”结构。这些后续的“随机种子”和之前形成的条纹在空间上可能存在些许错位，从而导致最终形成的周期性条纹出现弯曲。此外，上述方法均基于单一材料上激光和表面等离激元干涉效应。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种利用飞秒激光制造有序亚波长纳米条纹的方法，不需要单独设置“诱导种子”，能够直接得到周期性氧化条纹。
[0006]一种利用飞秒激光制造有序亚波长纳米条纹的方法，包括：利用飞秒激光照射金
属
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半导体复合薄膜的半导体薄膜侧，诱导半导体材料发生氧化反应形成氧化物颗粒，进一步在近场增强效应作用下形成氧化物纳米棒，最终在激光激发的准圆柱波诱导下，自组织形成周期性分布氧化物条纹。
[0007]本专利技术涉及在金属
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半导体复合薄膜体系中，利用单束飞秒激光稳态照射，在薄膜表面诱导自组织产生周期性氧化条纹的方法，具体而言是利用飞秒激光在复合薄膜体系中激发的准圆柱波来诱导周期性氧化条纹的产生。准圆柱波的传输距离很短，仅有数个激光波长，因此，其诱导的周期性结构形成类似一个外延的过程。在已形成周期性条纹的旁边，每次只形成一根平行的氧化物纳米棒。通过不断外延生长，最终形成的周期性条纹结构非常规则。
[0008]本专利技术涉及的金属
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半导体复合薄膜材料，可通过改变在可见光波段高吸收的半导体薄膜的厚度，实现复合薄膜颜色的可调谐。在此基础上，利用单束飞秒激光照射诱导产生亚波长周期性条纹结构，最终实现在不同颜色的基底上，制造出具有彩虹色的二维图案。
[0009]本专利技术可以现场制备所述金属
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半导体复合薄膜，即在金属薄膜上覆盖半导体薄膜，形成金属
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半导体复合薄膜；本专利技术可以通过磁控溅射或电子束蒸发制备金属
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半导体复合薄膜材料。也可以采用现成的金属
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半导体复合薄膜产品。
[0010]本专利技术需要大气或纯氧环境中进行，其利用飞秒激光照射所述复合薄膜诱导半导体材料发生氧化反应，在激光照射区域内通过激发的准圆柱波自组织形成周期性分布的一维氧化物条纹。
[0011]飞秒激光照射金属
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半导体复合薄膜表面过程中，在激光作用下，光斑中心位置率先形成一个随机的氧化物纳米颗粒，其尺寸在百纳米量级。纳米颗粒垂直于激光偏振方向的两端存在近场增强效应，因此，其会首先沿垂直于偏振方向逐渐延长形成氧化物纳米棒。当纳米棒生长至一定长度后，对入射激光造成散射，从而在薄膜表面激发出准圆柱波。准圆柱波的波矢方向沿着偏振。因此，在纳米棒的两侧，在准圆柱波和激光干涉相长的区域内形成新的氧化物纳米棒，依次类推，在沿着激光偏振的方向，纳米棒不断从光斑中心往外延伸；而在垂直于激光偏振的方向，氧化物纳米棒由于近场增强的作用，也从光斑中心不断往外生长。最终形成大面积的规则有序周期性条纹结构。
[0012]本专利技术中，作为优选，所用激光为飞秒脉冲激光，光斑能量分布为高斯型，偏振态为线偏振，重复频率不限，波长不限，激光脉冲宽度小于10皮秒，焦点处的能量密度在0.01—0.05J/cm2之间，激光聚焦至样品表面诱导氧化反应。聚焦后的功率密度远低于薄膜的烧蚀阈值。硅膜的多脉冲烧蚀阈值是0.2J/cm2。
[0013]本专利技术中，所述复合薄膜下层为金属薄膜，上层为半导体薄膜。金属薄膜的厚度不限；作为优选，半导体薄膜的厚度在10
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200纳米之间。
[0014]本专利技术中，复合薄膜中金属材料选用在光学波段高损耗的金属材料。金属层的厚度没有严格限制，作为优选，所述金属薄膜厚度为50～200nm，材料选择在可见和近红外波段具有高吸收的金属，如钛、钨、氮化钛、镍、钼、铬、金、银、铜、铝、铂等中的一种或多种。
[0015]本专利技术中，复合薄膜中半导体材料选择在飞秒激光照射下会发生氧化反应，形成氧化物纳米颗粒的材料。比如所述半导体材料可以选择硅、锗或者含有硅、锗任意一种或两种的复合材料。
[0016]本专利技术形成的纳米颗粒的直径从几纳米到数百纳米不等。纳米颗粒在激光持续照
射下，通过近场相互作用自组织堆积形成一维的纳米光栅结构。作为优选，条纹宽度为100
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1000nm。
[0017]本专利技术中，经过激光照射后，在平滑的金属
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半导体复合薄膜表面形成凸起的周期性结构，氧化物条纹的周期与入射激光波长有关，但始终略小于激光的波长，接近激光波长的3/4。氧化物条纹周期与入射角和薄膜的厚度密切相关，但与金属材料的光学性质无关。作为优选，所述氧化物条纹的周期取决于入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用飞秒激光制造有序亚波长纳米条纹的方法，其特征在于，包括：利用飞秒激光照射金属
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半导体复合薄膜的半导体薄膜侧，诱导半导体材料发生氧化反应形成氧化物颗粒，进一步在近场增强效应作用下形成氧化物纳米棒，最终在激光激发的准圆柱波诱导下，自组织形成周期性分布氧化物条纹。2.根据权利要求1所述的利用飞秒激光制造有序亚波长纳米条纹的方法，其特征在于，光斑能量分布为高斯型，偏振态为线偏振，焦点处的能量密度在0.01～0.05J/cm2之间。3.根据权利要求1所述的利用飞秒激光制造有序亚波长纳米条纹的方法，其特征在于，所述复合薄膜下层为金属薄膜，上层为半导体薄膜，半导体薄膜的厚度在10
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200纳米之间。4.根据权利要求1所述的利用飞秒激光制造有序亚波长纳米条纹的方法，其特征在于，复合薄膜中，金属材料选自钛、钨、氮化钛、镍、钼、铬、金、银、铜、铝、铂中的一种或多种。5.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：仇旻，耿娇，石理平，
申请(专利权)人：西湖大学，
类型：发明
国别省市：