【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所張學軍院士團隊在光學領(lǐng)域知名期刊《Laser & Photonics Reviews》上發(fā)表題為"Stress-driven nanoprotrusion formation in amorphous silicon via sub-ablation femtosecond laser irradiation"的研究論文。該工作第一作者為博士生鐘華坤，通訊作者為張志宇研究員。
該研究提出并實驗驗證了一種激光直寫應力誘導納米修形新方法，無需納米級光刻工藝或外延薄膜生長等復雜前置工藝，即可在薄膜表面實現(xiàn)高精度納米級形貌調(diào)控。
激光直寫應力誘導下的納米形貌調(diào)控
傳統(tǒng)表面形貌調(diào)控主要依賴減材去除、增材沉積兩類工藝，存在工藝窗口窄、制備成本高、熱損傷嚴重等短板。區(qū)別于上述兩類主流方案，本工作開辟應力驅(qū)動等材成形新方法，即在低于燒蝕閾值的亞燒蝕工況下，依靠薄膜固相相變引發(fā)殘余應力累積與釋放，最終完成納米修形。加工全程不去除基體材料、也無需沉積物質(zhì)，僅依托材料內(nèi)部相變與應力演化，即可精準構(gòu)筑可控納米表面形貌。
亞燒蝕納米成形：在0.03–0.09J·cm?²的工藝窗口內(nèi)制備納米表面形貌，低于實驗測得的多脈沖燒蝕閾值(約0.096 J·cm?²)。
納米形貌可調(diào)：表面形貌高度覆蓋0.37–121.1nm；在0.06J·cm?²、脈沖重疊數(shù)N=5000條件下，可穩(wěn)定獲得平均約29 nm的連續(xù)表面形貌。
相變積累應力驅(qū)動下的納米表面形貌
拉曼光譜顯示，飛秒激光直寫后，非晶硅表層出現(xiàn)520cm?¹的晶硅橫向光學聲子峰，表明形成了納米晶硅與非晶硅共存的異質(zhì)改性層。晶化指數(shù)隨能量密度總體由0.32上升至0.45，并在0.07J·cm?²附近出現(xiàn)明顯躍遷。HRTEM/SAED進一步揭示，改性層沿深度方向呈現(xiàn)納米晶層、過渡區(qū)、原始非晶硅的分層結(jié)構(gòu)。
在薄膜與基底的橫向約束下，局部相變帶來的體積失配產(chǎn)生GPa量級殘余應力；當應力無法沿面內(nèi)完全釋放時，體系通過出平面失穩(wěn)形成納米表面形貌。由此，研究建立了結(jié)構(gòu)改性、應力積累、局域修形的固態(tài)納米成形機制。
應力釋放實現(xiàn)納米形貌的“二次放大”
研究團隊進一步采用180℃、2 h的低溫退火(LTA)調(diào)控殘余應力。該溫度遠低于非晶硅固相晶化溫度，不會引起大規(guī)模再結(jié)晶或材料遷移，卻能促進局部結(jié)構(gòu)松弛和應力重新分配。退火后，原有納米表面形貌的橫向輪廓基本保持，高度可進一步放大；其高度增量與殘余應力變化呈半定量一致關(guān)系，驗證了應力釋放在形貌演化中的關(guān)鍵作用。
可編程納米形貌：兼顧精度與尺度
通過同步控制掃描速度與快門頻率，研究實現(xiàn)了不同周期和形貌的納米表面形貌陣列：最小實驗證實周期約12 μm，另一種矩形陣列周期約200 μm，沿線高度波動約3–6 nm。結(jié)合光刻工藝，還制備出毫米尺度“CIOMP”二維圖案，尺寸約10 mm×5 mm，平均表面形貌高度約20 nm，高度變化小于4 nm。結(jié)果表明，該方法既能調(diào)制局部納米形貌，也具備大面積掃描修形的技術(shù)潛力。
該研究將激光納米制造的控制變量從“材料去除”拓展到“應力生成與釋放”。由于過程在亞燒蝕、低損傷條件下進行，且可以通過激光能量密度、脈沖累積、掃描軌跡和后續(xù)退火分別調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)高度、周期與形貌，未來有望服務于應變工程與功能界面、光子學與衍射元件、微納電子與集成制造等領(lǐng)域。
據(jù)悉，非晶硅薄膜是反應燒結(jié)碳化硅反射鏡的表面改性材料。該研究實現(xiàn)非晶硅薄膜亞燒蝕條件下應力可控納米形貌調(diào)控，為碳化硅反射鏡表面微納功能化改性開辟新思路，對拓展大口徑碳化硅光學元件應用場景具有參考價值。
本研究得到國家自然科學基金國際(地區(qū))合作與交流項目、國家重點研發(fā)計劃課題等的支持。
引用：長春光機所提出激光直寫應力誘導納米修形新方法 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 【引用時間：2026年8月10日】
宝山区|
靖宇县|
白玉县|
安塞县|
长岭县|
灵台县|
松阳县|
都兰县|
东乡族自治县|
内江市|
云南省|
海兴县|
普兰县|
南江县|
明星|
台湾省|
林甸县|
正定县|
西畴县|
镇坪县|
龙口市|
鄂托克前旗|
鄄城县|
竹溪县|
佛坪县|
郧西县|
衢州市|
贵港市|
太仆寺旗|
巨鹿县|
青海省|
兴宁市|
洪洞县|
三江|
普陀区|
天水市|
社会|
湖南省|
平遥县|
眉山市|
霍州市|
所有評論僅代表網(wǎng)友意見，與本站立場無關(guān)。