激光誘導(dǎo)周期表面結(jié)構(gòu)（LIPSS）為微納光電子器件制備帶來(lái)了新思路。掌握LIPSS結(jié)構(gòu)的成因?qū)Φ暮笃跇?biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)至關(guān)重要，但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)困難無(wú)法精確闡釋其成形機(jī)理。中山大學(xué)集成電路學(xué)院姚清河教授，上海交通大學(xué)張東石長(zhǎng)聘副教授和李鑄國(guó)教授，聯(lián)合RIKEN團(tuán)隊(duì) ，通過新型實(shí)驗(yàn)手段和仿真模型展示了新型LIPSS結(jié)構(gòu)并揭示了高速漩渦對(duì)LIPSS結(jié)構(gòu)和形貌的影響機(jī)理，對(duì)精準(zhǔn)掌握基材的結(jié)晶度、潛在的缺陷和應(yīng)變提供了新的理論依據(jù)。相關(guān)論文獲得光電期刊集群2023年3月的OEA高被引論文獎(jiǎng)。

將傳統(tǒng)的飛秒激光液相加工、飛秒激光液相沖擊和碎裂工藝相結(jié)合，本團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了基于飛秒激光液相沖擊碎裂微納加工易碎硅材料【Int. J. Extrem. Manuf. 2020, 2, 045001】。在激光功率為700 mW超強(qiáng)沖擊波作用下，平行溝槽碎裂生成如圖1a所示結(jié)構(gòu)，只有部分溝槽沒有被破壞。溝槽上有典型的垂直于激光偏振方向的高頻周期LIPSS結(jié)構(gòu)，周期在100-200 nm之間（圖1b）；在溝槽底部的孔洞呈現(xiàn)如圖1c-f所示的圓形和雙圓形LIPSS結(jié)構(gòu)，是由流體的漩渦和渦流屏蔽（雙漩渦）效應(yīng)導(dǎo)致的。在小功率（50 mW）情況下，沖擊波能量比較小，平行溝槽未被破壞；溝槽底部有一系列孔洞（圖1g-h），部分呈現(xiàn)漩渦所致螺旋狀結(jié)構(gòu)（圖1i）。在溝槽的邊緣發(fā)現(xiàn)了弧狀結(jié)構(gòu)（圖1j），展現(xiàn)漩渦長(zhǎng)度從溝槽的上部一直到達(dá)其底部，影響所有其覆蓋LIPSS的發(fā)展方向。此外，漩渦還會(huì)誘導(dǎo)LIPSS方向傾斜（圖1k），使其不再垂直于激光極化方向。僅在溝槽結(jié)構(gòu)的頂部，存在垂直于激光極化方向的LIPSS結(jié)構(gòu)（圖1l）。在量綱分析的基礎(chǔ)上，對(duì)單孔洞在垂直和水平交疊的高速流體作用下的微納流動(dòng)、沖擊行為進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證漩渦的生成（圖1m）。

圖1 液體漩渦誘導(dǎo)圓形LIPSS形成和理論仿真驗(yàn)證

新型加工工藝加的壓強(qiáng)可達(dá)到MPa級(jí)，圖2a-b所示為仿真獲得的漩渦靜態(tài)壓強(qiáng)側(cè)視圖和俯視圖。超高的壓強(qiáng)作用于側(cè)壁會(huì)導(dǎo)致平行溝槽碎裂（圖1a），還會(huì)導(dǎo)致脆性金屬鎢側(cè)壁沿水平方向碎裂（圖2c），在垂直方向留下漩渦的刻蝕痕跡（圖2c）。700 mW功率飛秒激光加工硅的結(jié)構(gòu)側(cè)壁也發(fā)現(xiàn)了漩渦刻蝕的溝槽（圖2d-f），側(cè)壁溝槽結(jié)構(gòu)在頂部和底部有明顯的偏移（圖2d），表明漩渦不是靜態(tài)的，而是動(dòng)態(tài)移動(dòng)的。

改變掃描方向可以獲得不同方向偏移的弧狀側(cè)壁溝槽（圖2e），表明改變掃描方向可以改變漩渦的移動(dòng)方向。改變掃描速度可以調(diào)節(jié)漩渦的密度，從而改變漩渦刻蝕溝槽的間距（圖2f）。本系列研究表明，漩渦對(duì)側(cè)壁施加的壓強(qiáng)都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)碎裂。

圖2 高壓強(qiáng)漩渦導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)碎裂和側(cè)壁刻蝕

圖3a展示了激光功率為700 mW、掃描間隔為5 μm條件下高密度碎裂生成的類似山狀結(jié)構(gòu)（圖3a），碎裂表面覆蓋著方向交錯(cuò)的LIPSS結(jié)構(gòu)（圖3b綠色箭頭所示）。圖3c仿真了類似結(jié)構(gòu)上的流體方向，可以看到結(jié)構(gòu)曲率會(huì)引起流體方向改變，從而導(dǎo)致了方向交錯(cuò)LIPSS結(jié)構(gòu)的形成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了激光在與物質(zhì)的作用過程中，在所生成

圖3 曲面結(jié)構(gòu)上不同方向流體導(dǎo)致方向交錯(cuò)LIPSS結(jié)構(gòu)的形成

論文原文：Zhang DS, Li XZ, Fu Y, Yao QH, Li ZG et al. Liquid vortexes and flows induced by femtosecond laser ablation in liquid governing formation of circular and crisscross LIPSS. Opto-Electron Adv 5, 210066 (2022).

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