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德国科学家用飞秒激光隔空制作纳米结构

2008-03-06 10:25
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     德国科学家先以超短脉冲激光光照射,再施以选择性刻蚀(selective etching),在蓝宝石晶体上制作微信道(microchannels)与自组装(self-assembled)的纳米结构。研究团队相信此技术可用来制作微流组件(microfluidic devices)与三维光子结构,有助于生化学量测微型反应(microreactive)组件的发展。

     研究人员利用超短脉冲激光照射,在材料表面之下产生高度非线性的光-物质交互作用,而非直接以激光进行表面加工,随后再以氢氟酸刻蚀,便可在材料中产生与光偏振方向垂直的自组装纳米平面。

     阿亨工业大学(RWTH Aachen University)的Dirk Wortmann表示,照光会在材料中引发某些物理效应,进而产生这些纳米结构,过程中并未使用光束塑形(beam-shaping)或特殊的制作技术,所以才称此结构为自组装。不过上述自组装效应的原理众说纷纭,从激光诱发等离子波的干涉效应,到部分熔化的材料迅速凝结形成的密度波等等,都有支持者。

     超短脉冲激光的另一作用是大幅提升刻蚀的速度。Wortmann指出,经宽400 fs、重复率为10KHz到5MHz、波长1045 nm的脉冲激光照射的区域,晶格排列会非晶化,刻蚀速度比未照射区域快上一万倍。未受光的区域因不易刻蚀,不会有纳米结构产生。

     扫描式电子显微镜(SEM)得到的影像清楚显示,蓝宝石中形成深500 μm且不间断的纳米结构,使用数值孔径为0.8的物镜,可制作出达1 mm的特征长度由于非局部效应(non-local effects)会破坏脉冲波的波形,导致焦体积(focal volume)会沿光行进方向拉长。计算得到的光点大小约为1 μm,内含3-5个纳米通道。

     Wortmann打算深入研究纳米结构形成的机制,包括受光材料原子与电子特性的时域量测,并详细研究激光的脉冲宽度、重复率与波长等效应,以控制纳米结构的周期性并增加再现性(reproducibility)。

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