CN107199403B - 一种利用TiO2粒子阵列辅助飞秒激光超衍射极限加工的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用球形粒子阵列辅助飞秒激光超衍射极限加工的方法，属于金属表面纳米孔加工领域。具体利用球形粒子阵列作为辅助诱导激光近场增强，进而实现飞秒激光超衍射纳米孔加工。这种方式在多种金属、非金属以及半导体材料表面均可以实现纳米孔的加工，其应用更具有通用性。与传统方法相比大幅度提高了纳米孔的加工效率，同时也降低了加工成本。本发明有望在金属表面超衍射极限纳米加工领域发挥重要作用。

Description

一种利用TiO2粒子阵列辅助飞秒激光超衍射极限加工的方法
技术领域
本发明涉及金属表面微加工领域，特别涉及飞秒激光基于TiO2球形粒子阵列辅助的超衍射极限加工的方法。
背景技术
器件微小型化一直是医疗、生物、信息等领域的发展需求，也是先进制造发展的重要方向。在固体材料表面实现大面积、高效率的亚百纳米量级的纳米孔的加工具有重要的应用价值。但由于光学衍射极限的制约(≈λ/2，λ为入射激光波长)，使超衍射极限尺度下纳米结构的激光加工应用受到了限制。目前一种应用的主要方式是基于纳米结构辅助的超衍射极限激光加工方案：利用纳米结构可对激光近场进行空间局域化的特点，在待加工基底表面产生超衍射极限空间尺度的激光近场增强，从而借助此区域内增强激光场的烧蚀效应形成纳米孔。传统方法是利用激光照射显微系统的金属探针尖端(如原子力显微镜[1,2]等)与基底的间隙，形成局域近场增强，这一方式可实现百纳米特征尺寸的纳米加工。但这种方法速度非常缓慢，实现大面积阵列加工困难。当在待加工的硅基底表面放置单一的Au纳米粒子，在激光进行照射时也能取得相似的纳米孔加工效果[3]，而且这种方法可有效应用于半导体(Si)和金属(Pt)[1]等基底表面的纳米孔加工。然而，当Au粒子阵列紧密排列时，与单一放置情况下相比，其在基底表面近场增强效果并不相同而且相差甚远，以至于基底表面加工难以实现[4]。目前可以有效阵列纳米孔制备方式还有利用聚苯乙烯(PS)粒子阵列排布在PMMA基底表面，PS粒子的直径接近入射激光波长时可以产生粒子透镜效应，对光进行“聚焦”[1,2]，但是这种方式对基底介电环境要求苛刻，PS粒子与其他基底组合后聚焦位置会脱离靶材，进而失去加工能力。因此，如硅等具有广泛应用价值的基底如何实现粒子阵列辅助激光纳米加工成为亟待解决的难题。
参考文献：
[1]Zenhausern F,Martin Y,Wickramasinghe H K 1995Science.2691083
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[4]Nedyalkov N,Sakai T,Miyanishi T,Obara M2007Appl.Phys.Lett.90123106
发明内容
本发明针对以往在固体表面加工百纳米孔方法的不足，提出了一种利用TiO2粒子阵列辅助飞秒激光超衍射极限加工的方法。通过在待加工的固体基底表面放置球形 TiO2纳米粒子阵列，利用TiO2粒子对飞秒激光进行空间局域，诱导待加工的基底表面产生近场增强，进而实现超衍射极限空间尺度的纳米烧蚀而形成亚百纳米孔。这种方法可以在有效的在固体表面实现大面积的纳米孔的加工。
本发明采取的技术方案：
一种利用TiO2粒子阵列辅助飞秒激光超衍射极限加工的方法，该方法由以下步骤组成：
(1)首先在基底材料表面放置TiO2纳米球形粒子阵列，使粒子紧密排列，制作加工用靶材；
(2)利用短脉冲激光作用于(辐照)靶材表面；
(3)通过控制激光参数和优化球形粒子尺寸，实现材料表面百纳米孔的加工。
所述激光参数包括：激光能量、激光脉宽、激光重复频率、激光偏振方向等。
所述粒子的材质为TiO2，几何结构为球体，直径尺寸为100nm-1000nm之间，排列方式为阵列的并且紧密排列，如图1所示。
所述辐照用激光为脉冲激光，且辐照脉冲数为1发。其参数为：中心波长为400nm，圆偏振态，脉宽为35fs-1ps之间，激光入射角度(样品与入射激光相对角度)为15°- 90°之间。
所述基底材料可以为金属材料，如金、银、铁、钼、铝、镍、钛、镁、不锈钢以及它们的合金材料；选择的基底材料也可以为非金属材料，如玻璃、PMMA、硅片、锗片、二氧化钛等有机材料及半导体材料。
本发明的优点在于：
(1)本发明利用飞秒激光对放置阵列TiO2球形粒子的靶材表面进行处理，实现固体材料表面百纳米孔的加工，与传统方法相比大大提高了超衍射极限激光加工的效率，降低了加工成本；
(2)本发明可以应用在几乎所有金属及介电材料的表面，实现超衍射极限的百纳米孔的加工，降低了传统加工方法在基底材料应用上的局限性，使其应用更具有通用性。
附图说明
图1为阵列TiO2纳米粒子(圆形)排列在基底表面的示意图；
图2(a)和(b)为纳米粒子阵列(圆形)六角排列在基底表面的示意图，模拟计算时选择周期性边界条件(x和y方向的边界条件)和完美吸收边界(PML boundary)条件，入射光为波长400nm的圆偏振光，逆着z方向垂直入射，电场强度为1V/m；
图3(a)TiO2纳米粒子阵列排列在Si基底表面的光强增强因子随粒子直径D的变化曲线，(b)D＝300nm(图(a)中增强因子最大值对应的粒子尺寸)时基底表面的近场分布图，其中虚线代表球的外围轮廓；
图4TiO2纳米粒子在Pt基底表面光强增强因子随粒子直径D的变化曲线，图中插图分别为Pt基底表面粒子直径D＝300nm时近场分布图，其中虚线代表球的外围轮廓；
图5TiO2纳米粒子在TiO2基底表面光强增强因子随粒子直径D的变化曲线，图中插图分别为TiO2基底表面粒子直径D＝300nm时近场分布图，其中虚线代表球的外围轮廓；
图6TiO2纳米粒子阵列在金属材料基底表面的光强增强因子与基底折射率虚部(k) 的函数关系(n＝1.7)，虚部取值范围参考常用金属虚部；
图7TiO2纳米粒子阵列在非金属介电材料基底表面的光强增强因子与基底折射率实部(n)的函数关系，实部取值范围参考常用金属实部。
具体实施方式
下面对本发明做进一步说明：
利用加拿大Lumerical Solutions公司出品的FDTD Solutions软件对不同材料基底表面TiO2纳米粒子阵列在基底表面的近场分布进行数值仿真。这种方法也是工程中对纳米加工效果评估的常用方法。如图2所示，在仿真计算中，模拟真实情况，入射光逆着z方向入射。将基底表面所在的平面设为x-y平面，基底表面上方为z轴正方向，粒子与基底接触点在x-z平面内。x和y方向的边界条件为周期性边界(period boundary)，z方向为完美吸收边(PML boundary)，监视器位于粒子中心和基底接触点所在的x-z平面和基底表面x-y平面。入射光为波长400nm的圆偏振光，入射电场强度为1V/m。从而得到粒子与基底接触处的近场强度。为了更好的从近场强度推测加工能力，引用增强因子的概念，将基底表面有无粒子情况下同一位置光强的比值定义为增强因子，即
其中E为有粒子情况下基底表面在入射光照射后获得的电场值，Esub为同一位置无粒子情况下的基底表面在入射光照射后获得的电场值(区别于入射光场电场值E0)。通过增强因子值，可以从理论上获得近场增强点和基底之间的激光场强度差，从而在加工的过程中更好的控制激光能量密度，使其在确保不损伤基底无粒子区域的表面情况下，在有粒子区域进行纳米加工。因此根据增强因子可以推断基底表面的TiO2阵列粒子对各种基底材料的加工情况和能力。
实施例1
如图3所示，将阵列TiO2纳米粒子排布在基底材料表面，入射激光为波长400nm，圆偏振的飞秒激光。本实施例中的靶材样品为半导体Si，首先对粒子尺寸进行选取，如图3所示，图3(a)为Si基底表面阵列TiO2纳米粒子的近场增强因子Q随粒子直径D 的变化曲线，粒子直径为300nm时，增强因子值最大。图3(b)为粒子直径为300nm时基底表面的近场分布图，从图中可以观察到，当阵列纳米粒子紧密排列在基底表面时，可以获得规则排列的近场分布，且基底表面光场增强区域由直径均小于200nm的阵列组成，在这一工艺条件下可以在Si基底表面加工超衍射极限的纳米孔。其最优条件为粒子直径为300nm。
实施例2
本实施例中，激光参数条件与实例1相同，分别对SiO2和Pt基底表面的增强因子及近场分布进行了仿真。如图4和图5所示，可以发现Pt和SiO2基底表面增强因子及近场的变化趋势与Si类似。基于计算的增强因子这两种材料表面实现超衍射纳米孔加工。其最优条件为粒子直径也为300nm。
实施例3
本实施例中，激光参数条件与实例1相同，粒子尺寸选取最优条件300nm，其中假定了一种虚拟的基底光学参数(折射率实部与虚部)，选取基底光学参数(折射率)范围几乎包含了所有常见的典型固体材料。因此可以模拟常用大部分的金属和非金属材料。结果如图6和图7所示，在几乎所有的材料参数范围内，TiO2阵列粒子都获得很好的增强因子，都可以实现较好的纳米加工效果。

Claims (4)

1.一种利用TiO2粒子阵列辅助飞秒激光超衍射极限加工的方法，该方法由以下步骤组成：
(1)首先在基底材料表面放置TiO2纳米球形粒子阵列，使粒子紧密排列，制作加工用靶材；
(2)利用短脉冲激光作用于靶材表面；
(3)通过控制激光参数和优化球形粒子尺寸，实现材料表面百纳米孔的加工；使用的短脉冲激光参数为：中心波长为400nm，圆偏振态，脉宽为35fs-100ps之间，激光入射角度为15°-90°之间；粒子材质为TiO2，几何结构为球体，选择的直径尺寸为300nm，排列方式为阵列的并且紧密的排列，将基底表面有无粒子情况下同一位置光强的比值定义为增强因子，即
其中E为有粒子情况下基底表面在入射光照射后获得的电场值，Esub为同一位置无粒子情况下的基底表面在入射光照射后获得的电场值，通过增强因子值，从理论上获得近场增强点和基底之间的激光场强度差，粒子直径为300nm时，增强因子值最大。
2.根据权利要求1所述的一种利用TiO2粒子阵列辅助飞秒激光超衍射极限加工的方法，其特征在于辐照用激光为脉冲激光，且辐照脉冲数为1发。
3.根据权利要求1所述的一种利用TiO2粒子阵列辅助飞秒激光超衍射极限加工的方法，其特征在于选择的基底材料可以为金、银、铁、钼、铝、镍、钛、镁、不锈钢以及它们的合金材料。
4.根据权利要求1所述的一种利用TiO2粒子阵列辅助飞秒激光超衍射极限加工的方法，其特征在于选择的基底材料为PMMA、硅片、锗片、二氧化钛有机材料。
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