دانشمندان با استفاده از یک لیزر تیتانیم-سفایر و یک لیزر الکترون آزاد فروسرخ میانی برای ایجاد ساختار روی سیلیکون، نشان داده اند که چگونه ساختار سطح متناوب القایی لیزری (LIPSS) بر حسب ویژگیهای لیزر تغییر می کند.

دستگاه های الکترونیکی و اپتیکی که به طور روزمره استفاده می کنیم، از قبیل تلفن های همراه، صفحات نمایشگر LED و سلول های خورشیدی، از ترانزیستورها و قطعات دیگری استفاده می کنند که دائما در حال کوچکتر و فشرده تر شدن هستند. با یک نیاز روزافزون برای قدرت محاسباتی، ذخیره سازی و بهره وری انرژی، این روند فقط با مرزبندی های جدید ادامه خواهد یافت.

تولید چنین اجزای کوچکی برای دستگاه های الکترونیکی نیازمند تراش دادن و آماده سازی ساختارها در مقیاس های زیر میکرونی تا حدود صدها بار کوچکتر از پهنای یک تار موی انسان است. اما روشهای فعلی برای نانوساختِ سطوح از فوتولیتوگرافی و لیتوگرافی باریکه الکترونی – روشهایی که پیچیده، بسیار پرهزینه و معمولا غیر قابل دسترس هستند- بهره می برند و نیازمند درجات تخصصی بالایی می باشند.

ساختار سطح متناوب القایی لیزری (Laser Induced Periodic Surface Structure:LIPSS) به عنوان یک جایگزین نوین و محتمل برای این روشها در نظر گرفته می شود. در روش LIPSS لیزرهای فمتوثانیه به کار گرفته می شوند تا پالسهای لیزری فراکوتاه خروجی، به طور خود به خود منجر به تشکیل الگوهای تناوبی ای روی سطح شوند که بسیار کوچکتر از طول موج لیزر هستند.

یک پارامتر شناخته شده در روش LIPSS ، انتخاب طول موج لیزر است که مستقیما بر تناوب ساختارهای تشکیل شده تاثیر می گذارد. البته پارامترهای دیگر، مطالعه نشده باقی مانده اند. دغدغه های اصلی در رابطه با استفاده استاندارد از روش LIPSS، شامل کیفیت ساختار سطح شکل یافته یعنی بلورینگی زیرلایه، پتانسیل وجود نقص های ساختاری و کُرنش است. برای اینکه همواره LIPSS با ویژگیها و مشخصات قابل کنترل برای کاربردهای مشخص تولید شود، بسیار مهم است که متوجه شویم کدام منابع لیزری باید برای کدام نیاز ویژه به کار گرفته شوند.

برای پاسخگویی عمیق تر به این سوالات، اکنون یک گروه تحقیقاتی ژاپنی تحت سرپرستی دانشمندانی از موسسه فناوری ناگویا، مستقیما پارامترهای مختلف که تحت تاثیر انتخاب لیزر هستند را مطالعه کرده است. این پژوهش در همکاری با دانشگاه اُساکا، دانشگاه توکای، دانشگاه کیوتو و آژانس انرژی اتمی ژاپن، توسط رینا میاگاوا Reina Miyagawa استادیار موسسه فناوری ناگویا همراه با نُریماسا اُزاکی Norimasa Ozaki، دانشیار دانشگاه اُساکا و ماساکی هاشیدا Masaki Hashida استاد دانشگاه توکای که پژوهشگر دانشگاه کیوتو نیز هست، هدایت شده است. یافته های آنها در مجله Scientific Reports منتشر شده است.

دکتر میاگاوا توضیح میدهد: " ما در پژوهش خود، سیلیکون را به عنوان زیرلایه انتخاب کردیم. زیرا ماده ای است که در سراسر جهان در بسیاری از دستگاه های اپتوالکترونیکی مثل ترانزیستورها، تلفن های همراه و سلولهای خورشیدی به کار گرفته میشود."

پژوهشگران از دو لیزر فمتوثانیه متفاوت روی زیرلایه استفاده کردند. در یک آزمایش، یک سامانه لیزری تیتانیم-سفایر با پالسهای 0.8 میکرومتری به کار گرفته شد تا روی سطح سیلیکون، در انرژیهای بالاتر از انرژی گاف نواری، ساختار ایجاد کند. در آزمایشی دیگر، پژوهشگران از یک لیزر الکترون آزاد در پالسهای فروسرخ میانی 11.4 میکرومتری استفاده کردند که میتوانست ایجاد ساختار را در انرژیهایی پایین تر از انرژی گاف نواری نمونه بررسی کند.

آنالیز نمونه های LIPSS به هر دو طریق میکروسکوپیک و ماکروسکوپیک انجام شد. بلورینگی و خلوص میکروسکوپیک با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) مطالعه شد در حالیکه یک آنالیز ماکروسکوپیک تر از کُرنش و پایداری در ساختار گسترده تر، با استفاده از پراش اشعه ایکس انرژیهای بالا سینکروترونی (XRD) بررسی شد.

دکتر میاگاوا می افزاید: "وقتی که لیزر تیتانیم-سفایر به کار گرفته شد، ساختار LIPSS مشاهده شده، ماهیت به شدت بلوری سیلیکون را حفظ کرد اما ظاهرا با چندین کُرنش باقیمانده همراه بود. در مقابل، ساختار LIPSS که توسط لیزر الکترون آزاد فروسرخ میانی تشکیل شده بود منجر به تعدادی نقص ساختاری به وضوح قابل مشاهده شد. با این وجود، اصلا، هیچ کُرنش قابل مشاهده ای در سیستم وجود نداشت."

این پژوهش، اولین گزارش در مورد مشاهدات با قدرت تفکیک بالا، میکروسکوپیک و ماکروسکوپیک از بلورینگی در LIPSS با استفاده از پراش اشعه ایکس انرژیهای بالا سینکروترونی را در بر می گیرد. یافته ها نشان می دهند که LIPSS چگونه میتواند برای کاربردهای ویژه با دستکاری نقص های ساختاری، کُرنش و تناوب خود از طریق انتخاب مناسب لیزر، تنظیم و مناسب سازی شود.

پژوهش مستمر در این زمینه ها می تواند راهی به سمت کاربرد گسترده LIPSS به منظور دستیابی به ساخت مقرون به صرفه، ساده و دست یافتنی از سطوح نانوساختار برای انواع کاربرد در بازه وسیعی از دستگاههای اپتوالکترونیکی بگشاید.

منبع:

Investigating the laser-induced periodic surface structure (LIPSS) of silicon