Entdecken Sie die Geheimnisse des Lasers

Von Nagoya Institute of Technology, 14. Januar 2023

Mithilfe eines Ti:Saphir-Lasers und eines Freie-Elektronen-Lasers im mittleren Infrarotbereich (MIR-FEL) zur Strukturierung von Silizium haben Wissenschaftler gezeigt, wie die laserinduzierte periodische Oberflächenstruktur (LIPSS) je nach Lasereigenschaften variiert. Bildnachweis: Reina Miyagawa vom Nagoya Institute of Technology

Forscher haben die Auswirkungen der Wahl des Lasers auf LIPSS identifiziert und Einblicke in wichtige Herstellungsparameter gewonnen.

Die elektronischen und optischen Geräte, die wir täglich nutzen, wie Mobiltelefone, LEDs und Solarzellen, verwenden Transistoren und andere Bauteile, die immer kleiner und kompakter werden. Angesichts des ständig wachsenden Bedarfs an Rechenleistung, Speicher und Energieeffizienz wird sich dieser Trend nur noch weiter verschärfen.

Die Herstellung solch kleiner Komponenten für elektronische Geräte erfordert die Bearbeitung und Vorbereitung von Strukturen im Submikronbereich, die bis zu hunderte Male kleiner als die Breite eines menschlichen Haares sind. Doch aktuelle Methoden zur Nanofabrikation von Oberflächen nutzen Fotolithographie und Elektronenstrahllithographie – Methoden, die kompliziert, extrem teuer, im Allgemeinen unzugänglich sind und ein hohes Maß an Fachwissen erfordern.

Die laserinduzierte periodische Oberflächenstruktur (LIPSS) gilt als neuartige und vielversprechende Alternative zu diesen Methoden. Bei LIPSS werden Femtosekundenlaser verwendet, um ultrakurze Laserpulse zu liefern, die spontan zur Bildung periodischer Muster auf der Oberfläche führen, die viel kleiner als die Laserwellenlänge sind.

Ein bekannter Parameter bei LIPSS ist die Wahl der Laserwellenlänge, die sich direkt auf die Periodizität der gebildeten Strukturen auswirkt. Andere Parameter blieben jedoch unbekannt. Zu den Hauptproblemen bei der standardisierten Verwendung von LIPSS zählen die Qualität der gebildeten Oberflächenstruktur, insbesondere die Kristallinität des Substrats, die Möglichkeit von Defekten und die Spannung. Um LIPSS konsistent mit kontrollierbaren Eigenschaften und Merkmalen für bestimmte Anwendungen herzustellen, ist es wichtig zu verstehen, welche Laserquellen für welchen bestimmten Bedarf verwendet werden sollten.

Durch eine geeignete Wahl der Lasereigenschaften kann die laserinduzierte periodische Oberflächenstruktur (LIPSS) durch Manipulation ihrer Defekte, Spannung und Periodizität auf bestimmte Anwendungen abgestimmt und maßgeschneidert werden. Bildnachweis: Reina Miyagawa vom Nagoya Institute of Technology

To answer these questions in more depth, a Japanese research collaboration led by scientists from the Nagoya Institute of Technology, has now directly investigated the various parameters that are influenced by laser choice. The work, in collaboration with Osaka University, Tokai University, Kyoto University, and the Japan Atomic Energy Agency (JAEA), was led by Assistant Professor Reina Miyagawa of the Nagoya Institute of Technology, alongside Associate Professor Norimasa Ozaki of Osaka University, and Professor Masaki Hashida of Tokai University, who is also a researcher at Kyoto University. Their findings have been published in the journal Scientific ReportsEstablished in 2011, <em>Scientific Report</em>s is a peer-reviewed open-access scientific mega journal published by Nature Portfolio, covering all areas of the natural sciences. In September 2016, it became the largest journal in the world by number of articles, overtaking <em>PLOS ON</em>E." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Wissenschaftliche Berichte.

„In unserer Studie haben wir Silizium als Substrat gewählt, da es ein Material ist, das weltweit in vielen optoelektronischen Geräten wie Transistoren, Mobiltelefonen und Solarzellen verwendet wird“, erklärt Dr. Miyagawa.

Die Forscher verwendeten zwei verschiedene Femtosekundenlaser auf dem Substrat. In einem Experiment wurde ein Lasersystem aus Titan und Saphir (Ti:Saphir) mit Impulsen von 0,8 µm verwendet, um das Silizium bei Energien zu strukturieren, die höher als die Bandlückenenergie sind. In dem anderen Experiment verwendeten die Forscher einen Freie-Elektronen-Laser mit Impulsen im mittleren Infrarotbereich von 11,4 µm, der den Effekt bei Energien untersuchen konnte, die niedriger als die Bandlückenenergie der Probe waren. Die Analyse der LIPSS-Proben erfolgte sowohl mikroskopisch als auch makroskopisch. Die mikroskopische Kristallinität und Reinheit wurden mithilfe der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht, während eine eher makroskopische Analyse der Spannung und Stabilität der breiteren Struktur mithilfe der Synchrotron-Hochenergie-Röntgenbeugung (XRD) untersucht wurde.

„Als der Ti:Saphir-Laser verwendet wurde, behielt das beobachtete LIPSS die hochkristalline Natur des Siliziums bei, schien aber eine gewisse Restspannung anzunehmen. Im Gegensatz dazu führte das LIPSS, das durch den Freie-Elektronen-Laser im mittleren Infrarotbereich gebildet wurde, zu einer gewissen Restspannung.“ „Es waren deutlich sichtbare Mängel zu erkennen. Es war jedoch keinerlei Belastung für das System erkennbar“, fügt Dr. Miyagawa hinzu.

Diese Studie ist der erste Bericht über hochauflösende, mikroskopische und makroskopische Beobachtungen der Kristallinität in LIPSS mittels Synchrotron-Hochenergie-Röntgenbeugung. Die Ergebnisse zeigen, wie LIPSS durch die Manipulation seiner Defekte, Spannungen und Periodizität durch eine geeignete Wahl des Lasers auf bestimmte Anwendungen abgestimmt und maßgeschneidert werden kann. Fortgesetzte Forschung in dieser Richtung kann den Weg für eine weitverbreitete Anwendung von LIPSS weiter ebnen, um die kostengünstige, einfache und zugängliche Herstellung nanostrukturierter Oberflächen für Anwendungen in einem breiten Spektrum optoelektronischer Geräte zu erreichen.

Referenz: „Kristallinität in periodischen Nanostrukturoberflächen auf Si-Substraten, hervorgerufen durch Femtosekundenlaserbestrahlung im nahen und mittleren Infrarotbereich“ von Reina Miyagawa, Daisuke Kamibayashi, Hirotaka Nakamura, Masaki Hashida, Heishun Zen, Toshihiro Somekawa, Takeshi Matsuoka, Hiroyuki Ogura, Daisuke Sagae , Yusuke Seto, Takahisa Shobu, Aki Tominaga, Osamu Eryu und Norimasa Ozaki, 5. Dezember 2022, Wissenschaftliche Berichte.DOI: 10.1038/s41598-022-25365-1