[发明专利]一种周期性氧化条纹结构的制造方法及应用

说明书

本发明公开了一种周期性氧化条纹结构的制造方法，包括：在一表面加工条纹结构；利用飞秒激光照射所述表面，在飞秒激光作用下和条纹结构的诱导下，所述表面对应区域形成周期性分布的氧化物条纹；所述条纹结构的方向与入射的飞秒激光的偏振方向一致。本发明也同时公开了一种上述方法的应用。本发明中通过一个简单的“人工种子”的诱导便可得到极高准直度的氧化条纹结构。不需要任何额外的加工工艺。直接，简单，明了，可控。同时，其产生氧化条纹光栅结构所需的能量密度低于长脉冲和连续激光，远远低于表面的烧蚀阈值，可以避免烧蚀产生，因此，可实现微纳范围内大面积的亚波长微纳条纹结构的精密加工。

技术领域

本发明属于飞秒激光先进微纳制造领域，具体是涉及一种周期性氧化条纹结构的制造方法及应用。

背景技术

纳米加工技术是影响国家未来核心竞争力的重要战略研究方向之一，也是新经济增长点的支撑技术之一。作为一门新兴的综合性加工技术，它集成了现代光学、机械、电子、计算机、测量及材料等先进技术成就，使加工的精度从1960年代的微米级提高到目前的10nm级，并极大地改善了各种产品的性能和可靠性。目前广泛用于微纳加工制造的成熟技术包括电子束曝光，聚焦离子束刻蚀，纳米压印，激光直写和化学合成等。然而这些技术，或依赖昂贵且复杂的操作系统；或依赖特殊的材料；或制备效率低下，不能进行大面积加工；或加工过程可控性不高。因此，开发可快速制备、大面积加工、低成本的、可控的表面微纳结构制造方法，具有重要的科学意义和工业应用价值。

自从Birnbaum在1965年使用连续激光照射砷化镓半导体材料首次观察到表面周期性条纹结构后，该现象引起了人们广泛的关注。尤其是随着高能量飞秒激光的普及，人们在研究飞秒激光与金属、半导体、电介质相互作用的时候，发现了大量的新现象。过去二十年，人们的研究重心主要在飞秒激光诱导低空间频率周期性条纹结构的形成机理，并提出了广为接受的三种模型：1)基于Sipe理论的飞秒激光与表面散射波干涉作用理论；2)飞秒激光与表面等离激元干涉作用理论；3)自组织理论。根据这三种模型，人们已基本能解释绝大多数的实验现象。因此，近年来，为了拓展飞秒激光诱导自组织周期性条纹的应用，人们逐渐将目光转移到了如何其规则度上。

虽然人们对激光诱导自组织条纹结构的研究已超过了半个世纪，但该方法仍未能作为微纳加工技术得到有效的推广。其根本原因是激光诱导自组织过程不可控，从而导致产生的条纹结构长程无序，具有很大的随机性。为了解决这一问题，人们提出了一些方案。比如，利用飞秒激光诱导热化学反应产生由氧化物颗粒堆积，取向沿激光偏振方向的条纹结构。这种条纹结构的形成过程存在一个非局域反馈效应，能在一定程度上提高自组织周期性结构的规整度。又如，利用高能量飞秒激光诱导的“强烧蚀”(strong ablation)效应，使表面材料迅速气化蒸发。再如，利用光学损耗高的金属材料(Ti,Cr,Mo)等减小表面等离激元的衰减长度来提升表面电磁波的相干性。

上述方法均可一定程度上提高自组织条纹结构的规则度，但都有一个前提，那就是需要采用小光斑(光斑直径一般10个波长)逐点扫描的方式进行。这是因为当使用大光斑时，在光斑照射区域存在大量随机的表面缺陷，这些缺陷会作为随机的“种子”，导致自组织条纹结构出现分叉和紊乱。采用小光斑扫描虽然可以有效地减少稳态曝光区域内随机“种子”的数量，提升周期性条纹结构的规则度，但这并不能确保得到非常准直的周期性条纹结构。这是因为在光斑移动的过程中，在光斑中心的位置仍然会不断出现新的随机的“种子”结构。这些后续的“随机种子”和之前形成的条纹在空间上可能存在些许错位，从而导致最终形成的周期性条纹出现弯曲。此外，现有的小光斑逐点扫描技术存在加工效率较低，且只能实现两维平面上的相对规则，而在激光传输方向，产生的纳米结构其尺寸仍不够规则等问题。

通过上述分析我们可知，造成自组织条纹结构不规则、紊乱的根本原因是材料表面缺陷造成的“随机种子”。因此，抑制随机种子的形成是有效提升自组织条纹的三维规整度及加工效率的关键。