In den letzten Jahrzehnten wurde die Entwicklung der Nanofabrikationstechnologie durch die Notwendigkeit vorangetrieben, die Dichte der Komponenten und die Leistung zu erhöhen, was eine hohe Genauigkeit bei der Materialverarbeitung und die Fähigkeit zur Herstellung in einer atmosphärischen Umgebung erfordert. Im Vergleich zu anderen fortschrittlichen Bearbeitungsmethoden gilt die ultraschnelle Laserbearbeitung als eines der am häufigsten verwendeten Werkzeuge zur Mikro-/Nanostrukturierung.
Die größte Herausforderung bei der ultraschnellen Laserbearbeitung zur Herstellung extrem kleiner Strukturen ist jedoch die optische Beugungsgrenze. Die durch diese Techniken beeinflusste Wärmezone ist immer noch viel größer als die der Nanostrukturen, die meist eine Schmelzzone von >300 nm aufweisen.
Die Verwendung einer dielektrischen Mikrokugel als Nahfeldlinse für die hochauflösende Nanobildgebung und Nanofertigung hat großes Forschungsinteresse geweckt. Das als photonischer Nanostrahl bekannte optische Phänomen kann zur Fokussierung des Laserstrahls beitragen, um die Beugungsgrenze zu überwinden. Um den Durchsatz der ultraschnellen Laserbearbeitung von Mikrokügelchen zu erhöhen, wurden die Selbstorganisationsmethode und die Lithographie mit Mikrolinsenarrays entwickelt, um Oberflächenmuster mit hoher Geschwindigkeit und niedrigen Kosten herzustellen.
Zusätzlich zu Nanolochstrukturen, die im Kontaktmodus erzielt werden, können mit der Mikrosphären-Femtosekundenlaserfertigung auch beliebige Strukturen auf Probenoberflächen im berührungslosen Modus realisiert werden. Durch Anheben der Mikrosphäre, um einen Spalt zwischen der Probe und der Mikrosphäre zu bilden, kann der Arbeitsabstand auf mehrere Mikrometer erhöht werden.
Diese Strategie führt dazu, dass die Mikrosphäre im Fernfeld arbeitet. In diesem Fall kann die Strukturgröße von Oberflächenstrukturen nur durch die 405-nm-Lampe, 512 nm und 800-nm-Femtosekundenlaserbestrahlung auf ~300 nm reduziert werden, was noch weit von der optischen Beugungsgrenze entfernt ist. Daher ist die Frage, wie ein gutes Gleichgewicht zwischen Arbeitsabstand und Strukturgröße erreicht werden kann, eine entscheidende Frage bei der mikrosphärengestützten Laserfertigung.
Um diese Probleme zu überwinden, berichtete die Forschungsgruppe von Prof. Minghui Hong von der Xiamen University und der National University of Singapore sowie Prof. Tun Cao von der Dalian University of Technology gemeinsam über eine ultraschnelle Laserbearbeitungstechnologie auf Basis berührungsloser Mikrokügelchen und realisierte Opto- Elektronische Fortschritte.
Im berührungslosen Modus wird die Mikrosphäre auf einem speziell entwickelten Halter platziert und die Nanostrukturen können durch flexible Steuerung der Mikrosphäre beim XYZ-Scannen erhalten werden. In diesem Fall liegt der Abstand zwischen der Mikrosphäre und der Probe in der Größenordnung von Mikrometern. Mithilfe der Femtosekunden-Laserbestrahlung von Mikrokügelchen ermöglicht diese neue Technologie die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung feinerer Nanostrukturen im berührungslosen Modus unter verschiedenen Bedingungen.
Die Forscher analysierten und erklärten auch den Entstehungsmechanismus dieser Nanostrukturen. Nach theoretischer Berechnung beträgt die fokussierte Punktgröße des einfallenden Lasers, der die 50-µm-Mikrokugel durchdringt, nur etwa 678 nm. Aufgrund der nichtlinearen Effekte ultraschneller Laser, einschließlich der Zwei-Photonen-Absorption und des Top-Threshold-Effekts, können die Eigenschaften von Nanostrukturen auf unter 50 nm reduziert werden. Daher werden die Oberflächen-Nanostrukturen auf den Co-Effekt der Mikrosphärenfokussierung, der Zwei-Photonen-Absorption und des Oberschwelleneffekts der ultraschnellen Laserbestrahlung zurückgeführt.
Diese Methode liefert eine neue Idee für die ultrafeine Laseroberflächen-Nanobearbeitung, und ihre Bearbeitungseffizienz und Bearbeitungsfreiheit sollen durch Mikrosphären-Arrays und Mikrosphären-Engineering weiter optimiert und verbessert werden.
Mehr Informationen:
Zhenyuan Lin et al, Mikrosphären-Femtosekundenlaser-Sub-50-nm-Strukturierung im Fernfeld durch nichtlineare Absorption, Optoelektronische Fortschritte (2023). DOI: 10.29026/oea.2023.230029
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