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科学家揭开硅上激光诱导的周期性表面结构的秘密

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科学家揭开硅上激光诱导的周期性表面结构的秘密

我们日常使用的电子和光学设备 ， 如移动电话、LED和太阳能电池 ， 使用的晶体管和其他成分不断变得更小、更紧凑 。 随着对计算能力、存储和能源效率的需求不断增长 ， 这种趋势只会继续发展到新的极致 。
为电子设备生产如此小的部件需要加工和制备亚微米尺度的结构 ， 最多可以比人类头发的宽度小数百倍 。 但目前的纳米表面加工方法使用的是光刻和电子束光刻--这些方法复杂、极其昂贵 ， 通常无法进入 ， 而且需要高水平的专业知识 。
激光诱导的周期性表面结构（LIPSS）已被指定为这些方法的一个新的和有前景的替代方法 。 在LIPSS中 ， 飞秒激光器被用来提供超短的激光脉冲 ， 从而在表面上自发地形成比激光波长小得多的周期性图案 。
LIPSS中一个众所周知的参数是激光波长的选择 ， 它直接影响到所形成结构的周期性 。 然而 ， 其他参数仍然是未知的 。 关于LIPSS的标准化使用的主要关注点包括形成的表面结构的质量 ， 即基材的结晶度、潜在的缺陷和应变 。 为了始终如一地生产出具有可控性能和特点的LIPSS ， 以满足特定的应用 ， 关键是要了解哪种激光源应该用于哪种特定的需求 。
通过对激光特性的适当选择 ， 激光诱导的周期性表面结构（LIPSS）可以通过操纵其缺陷、应变和周期性 ， 为特定的应用进行调整和定制 。 资料来源：名古屋工业大学的Reina Miyagawa
为了更深入地回答这些问题 ， 一个由名古屋工业大学的科学家领导的日本研究合作 ， 现在已经直接调查了受激光选择影响的各种参数 。 这项工作与大阪大学、东海大学、京都大学和日本原子能机构（JAEA）合作 ， 由名古屋工业大学的Reina Miyagawa助理教授领导 ， 同时还有大阪大学的Norimasa Ozaki副教授和东海大学的Masaki Hashida教授 ， 后者也是京都大学的一名研究员 。 他们的研究结果已经发表在《科学报告》杂志上 。
研究人员们解释说：\"在我们的研究中 ， 我们选择了硅作为基底 ， 因为它是世界上许多光电设备中使用的一种材料 ， 如晶体管、移动电话和太阳能电池 。 \"
【科学家揭开硅上激光诱导的周期性表面结构的秘密】研究人员在衬底上使用了两种不同的飞秒激光器 。 在一个实验中 ， 一个脉冲为0.8微米的钛和蓝宝石（Ti:Sapphire）激光系统被用来在高于带隙能量的能量下构造硅 。 在另一个实验中 ， 研究人员使用了一个中红外脉冲为11.4微米的自由电子激光器 ， 这可以在低于样品带隙能量的能量下探测效果 。 对LIPSS样品的分析是在显微镜和宏观上进行的 。 使用透射电子显微镜（TEM）研究了微观的结晶度和纯度 ， 而使用同步辐射高能X射线衍射（XRD）研究了更宏观的应变和广义结构的稳定性分析 。
\"当使用Ti:Sapphire激光时 ， 观察到的LIPSS保留了硅的高度结晶性 ， 但似乎承担了一些残余的应变 。 相反 ， 由中红外自由电子激光器形成的LIPSS导致了一些明显可见的缺陷 。 然而 ， 该系统没有任何可观察到的应变 ， \"宫川博士补充说 。
这项研究构成了第一份关于使用同步辐射高能X射线衍射技术对LIPSS的结晶性进行高分辨率、微观和宏观观察的报告 。 研究结果表明 ， LIPSS如何通过选择适当的激光器来操纵其缺陷、应变和周期性 ， 从而为特定的应用进行调整和定制 。 沿着这些思路继续研究 ， 可以进一步打开LIPSS广泛应用的途径 ， 以实现低成本、简单、易得的纳米结构表面的制造 ， 应用于广泛的光电设备 。

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