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科学家利用3D飞秒激光纳米光刻技术制备晶体纳米结构

导读: 材料的光学特性由其化学性质和固有的亚波长结构决定,尽管后者仍有待深入表征。

科学家利用3D飞秒激光纳米光刻技术制备晶体纳米结构

YAG(钇铝石榴石)晶体中的亚波长衍射光栅和MOW(微结构光波导)。a)在可见光照射下,长度为厘米级、间距为700 nm光栅的图像。b)实验并计算了波长为1070 nm的亚波长光栅(间距为700 nm)的绝对衍射效率。计算公式为衍射功率除以入射到嵌入光栅的功率。Error bars图对应于~0.07%的实验标准偏差。插图:制作的光栅的扫描电子显微镜(SEM)特写图像。c)六边形结构的光波导,水平孔距500 nm,平均孔径166nm x 386 nm,长4 mm。d)波长为1550 nm、862 nm(垂直)和972 nm(水平)的半峰全宽(full-width at half maximum,FWHM)处的模拟强度模式。e)1550 nm处测量的波导输出模式的衍射受限近场图像,FWHM约为~1.5 μm。(图片来源:Nature Photonics)

据麦姆斯咨询报道,材料的光学特性由其化学性质和固有的亚波长结构决定,尽管后者仍有待深入表征。光子晶体和超材料已经证明了这一点,它们通过表面的改变可提供一种全新的超越材料已知自然光学特性的光操控。然而,在过去30年的研究中,现有的技术方法已无法可靠地在材料表面以外的纳米结构硬脆光学晶体中进行深入的光学表征和相关应用。

例如,半导体行业开发的激光光刻是表面处理技术,用于有效刻蚀多种材料,包括硅、石英玻璃和聚合物等。该工艺用于生产高质量的二维(2D)纳米光子器件,可以扩展到三维(3D),20年前红外飞秒激光直写技术就已经证明了这一点。然而,光聚合结构是不切实际的,因为它们不能与其它光子元件接合。虽然3D纳米结构光纤提供的功能远远超出了普通非结构化玻璃可提供的功能,从而使非线性光学和光通信发生了革命性变化,但在晶体介质中进行可靠的材料制造仍然难以实现。

替代方法包括用激光诱导介质击穿和在透明晶体内触发的微爆(micro-explosion)直接加工3D纳米结构,从而在其中产生空隙并形成亚微米结构。但是这种方法存在扩大晶格损伤和加深裂纹的风险。因此,尽管科学家们付出了大量努力,大规模3D晶体纳米结构的标准方法仍有待报道。

近期发表在《自然光子学》(Nature Photonics)杂志上的一项研究表明,Airan Rodenas及其光子学与纳米技术研究所及物理系的同事们打破了现有的晶体纳米结构工程设计方法。他们提出了一种不同的方法,利用晶体的湿法刻蚀速率和多光子3D激光直写技术(3DLW),可以在纳米尺度上局部改变晶体的内部化学反应活性,从而形成致密的纳米孔晶格。跨学科的科学家表明,在100nm范围内具有任意特征的厘米级长度的空孔晶格可以在诸如钇铝石榴石(YAG)和蓝宝石等之类的关键晶体内部产生,通常可用于实际应用中。Rodenas等人在刻蚀之前进行直接激光写入,在固态激光晶体内部产生光子应用所需的孔结构。

科学家利用3D飞秒激光纳米光刻技术制备晶体纳米结构

在YAG中,利用3DLW设计的湿法刻蚀纳米孔晶格。a)对纳米孔晶格刻蚀120小时,沿x和y方向的平均孔尺寸(257±7nm和454±13nm),沿z方向长度为1mm。b)湿法刻蚀2小时后垂直重叠的纳米孔(沿x和y方向的平均孔尺寸为131 ± 5 nm和1300 ± 35 nm,长度为1mm)。c)沿z方向刻蚀1小时后的纳米孔,在光学显微镜下拍摄的图像(长度为129 ± 6.8 μm)。(图片来源:Nature Photonics)

在实验中,科学家们使用了标准的3DLW和镱锁模超快光纤激光器(波长1030nm,脉冲持续时间350fs)。使用数值孔径(numerical aperture,NA)为1.4的油浸物镜将激光脉冲紧密聚焦在晶体内部。Rodenas等人通过计算机控制的XYZ线性平台对样品进行3D纳米定位。激光照射后,他们再横向抛光晶体,露出照射区域的结构,然后进行湿法化学刻蚀。为此,YAG晶体是在去离子水中用热磷酸刻蚀的。刻蚀工艺目前的关键技术限制是难以清除采用上述详细制造方法后的纳米孔内的废酸。

结果显示,改性和原始晶体状态的分子刻蚀选择性相差1 x 10^5,迄今为止,这在光辐照材料中都没有被观察到。观察值比硅上氧化铝刻蚀掩模的观察值高大约两个数量级。Rodenas等人测定了未改性YAG的刻蚀速率为~1nm/h。所提出的方法能够在亚波长结构的晶体中设计和制造纳米光子元件,以提供所需的光学响应。通过结合3DLW和湿法刻蚀,科学家们就能够控制YAG晶体中纳米孔晶格的方向、尺寸、形状、填充率和长度等特征。

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