Tredimensionel femtosekundlasernanolithografi af krystaller

Materialers optiske egenskaber er baseret på deres kemi og den iboende subbølgelængdearkitektur, selvom sidstnævnte stadig skal karakteriseres i dybden. Fotoniske krystaller og metamaterialer har bevist dette ved at give adgang via overfladeændringer til et nyt niveau af lysmanipulation ud over materialets kendte naturlige optiske egenskaber. Endnu, i de sidste tre årtier med forskning, Tekniske metoder har ikke været i stand til pålideligt at nanostrukturere hårde optiske krystaller ud over materialoverfladen til dybdegående optisk karakterisering og relaterede applikationer.

For eksempel, laserlitografi udviklet af halvlederindustrien er en overfladebehandlingsteknik, der bruges til effektiv ætsning af en række materialer, herunder silicium, silicaglas og polymerer. Processen kan producere todimensionale (2-D) nanofotoniske enheder af høj kvalitet, der kan udvides til 3-D, som blev demonstreret for to årtier siden med infrarød femtosekund laser direkte skrivning. Imidlertid, de fotopolymeriserede strukturer er upraktiske, da de ikke kan forbindes med andre fotoniske elementer. Mens 3D-nanostrukturerede optiske fibre har leveret funktionaliteter langt ud over dem, der er muligt med almindeligt ustruktureret glas for at revolutionere ikke-lineær optik og optisk kommunikation, pålidelig fremstilling af materialer i krystallinske medier er forblevet undvigende.

Alternative metoder omfatter direkte bearbejdning af 3-D-nanostrukturer med laserinduceret dielektrisk nedbrydning og mikroeksplosioner udløst inde i gennemsigtige krystaller for at danne hulrum og fremkalde sub-mikrometerstrukturer i dem. Men sådanne metoder opstod med risiko for forlænget gitterskade og revnedannelse. Derfor, trods indsats, en standardmetode til storskala, 3D-volumen krystal nanostrukturering mangler at blive rapporteret.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Natur fotonik , Airán Ródenas og kolleger ved Institute of Photonics and Nanotechnology og Department of Physics afstod fra eksisterende metoder til at konstruere crystal nanoarchitecture. I stedet, de foreslog en metode, hvorved den indre kemiske reaktivitet af en krystal, givet ved dens våde ætsningshastighed, kunne lokalt modificeres i nanoskalaen for at danne tætte nanopore gitter ved hjælp af multiphoton 3-D laserskrivning (3DLW). De tværfaglige forskere viste, at centimeterlange tomme poregitter med vilkårlige træk ved 100 nm-skalaen kunne skabes inde i nøglekrystaller som yttriumaluminiumgranat (YAG) og safir, bruges typisk til praktiske anvendelser. Ródenas et al. udførte direkte laserskrivning inden ætsning, skabe den ønskede porearkitektur inde i solid-state laserkrystal til fotoniske applikationer.

I forsøgene, forskerne brugte en standard 3DLW med en ytterbium mode-låst ultrahurtig fiberlaser (1030 nm bølgelængde og 350 fs pulsvarighed). Et 1,4 numerisk aperture (NA) olie-nedsænkningsmål blev brugt til tæt at fokusere laserpulserne inde i krystallerne. Ródenas et al. brugte computerstyrede XYZ lineære trin til 3-D nanopositionering af prøverne. Efter laserbestråling, de polerede lateralt krystallerne for at afsløre de bestrålede strukturer efterfulgt af våd kemisk ætsning. For det, YAG -krystallerne blev ætset i varm phosphorsyre i deioniseret vand. En vigtig teknisk begrænsning af ætsningsprocessen var vanskeligheden ved at opfriske den udtømte syre inde i nanoporerne fremstillet ved hjælp af den detaljerede metode.

Resultaterne viste en ætsningsselektivitet ved en værdi større end 1 x 10 ⁵ på molekylært niveau mellem de modificerede og uberørte krystallinske tilstande, hidtil ikke observeret i et fotobestrålet materiale. Den observerede værdi var cirka to størrelsesordener højere end for aluminiumoxid -ætsemasker på silicium. Ródenas et al. bestemt ætsningshastigheden for umodificeret YAG ved ~ 1 nm/time. Den foreslåede metode tillod design og fremstilling af nanofotoniske elementer inde i en krystal, der kunne give de ønskede optiske reaktioner, ved subbølgelængdestrukturen. Forskerne var i stand til at kontrollere funktionerne i poreretning, størrelse, form, fyldningsfraktion og længde af nanopore gitter i YAG -krystaller ved at kombinere 3DLW og våd ætsning.

YAG -gitteret blev ætset i 120 timer for at opnå gennemsnitlige poredimensioner i x- og y -retningerne. Poreformen og størrelsen blev kontrolleret ved at skræddersy laserkraft og polarisering. Diameteren af ​​ætsede nanoporer afhængede af laserkraften og kunne undersøges for både lineære og cirkulære laserstrålepolarisationer. Som begrænsninger ved teknikken, de fandt ud af, at 3-D fotoniske strukturer karakteristisk var isoleret i rummet, nødvendige støttevægge, og led krympning og en lav optisk skadegrænse.

Forskerne konstruerede de fotoniske strukturer ved hjælp af cirkulær polarisering til reproducerbart at skabe luftporer i nanoskalaområdet under 200 nm. De nanofotoniske strukturer (luftporefotoniske gitter) skabt i krystallen opretholdt rumlig opløsning svarende til den opnået med state-of-the-art multiphoton polymerisation litografi.

Til praktiske anvendelser, nanofotoniske enheder kræver robuste og effektive optiske forbindelser for at danne store, komplekse kredsløbsdesigner med andre optiske elementer. For at opnå dette, Ródenas et al. kontrollerede differentiel ætsningshastighed for at opretholde store porelængder mellem de fotomodificerede mængder og den omgivende krystal. De brugte scanningselektronmikroskopi (SEM) til at observere og bevise 3-D ætsningsprocessen.

Inden 170 timer, forskerne opnåede nanoporer med tværsnit på 368 x 726 nm ² og længder på 3,1 mm; for at vise, at nanoporer med millimeter-skala længde kunne konstrueres i et enkelt ætsningstrin. Nanofotoniske enheder kræver typisk sådanne gitterdimensioner fra den mikrometriske til centimeters skala, uden sprød fraktur af krystallen på grund af overdreven belastning. På denne måde, forskerne implementerede en ordning for homogent ætsning af nanostrukturer og mikrostrukturerede optiske bølgeledere (MOW'er), på den ønskede skala på tværs af hele prøven.

For at teste, om den observerede selektivitet af nanopore ætsning med YAG var overførbar til andre krystaltyper, forskerne gennemførte lignende eksperimentel nanostrukturering med safir. De fandt en parallel nanopore ætsningshastighed på ~ 1 x 10 ⁵ i safir, ligner YAG og højere end den hastighed, der tidligere er observeret med mikrokanaler ætset i safir. Ródenas og kolleger dannede millimeter lange nanoporer i safir med tværsnit så små som ~ 120 nm og testede gennemførligheden af ​​metoden ved at konstruere nanopore gitter ætset i 170 timer uden at bryde krystallen.

Evnen til at kontrollere gitterdannelse ned til nanometerskalaen vil være nyttig i praktiske fotoniske applikationer. For eksempel, fotoniske bandgapgitter kan designes med stopbånd i det synlige til mellem-infrarøde område i solid-state laserkrystaller til fotonisk informationsteknologi. For yderligere at udvide potentialet i 3D-nanolithografiteknikken, Ródenas et al. konstrueret MOW (mikrostrukturerede optiske bølgeledere) med forskellige gitterafstand og hulrumsstørrelser. De opnåede dimensioner i intervallet en centimeter i længden, med 700 nm pitchgitter observeret under belysning af synligt lys.

Ródenas et al. gennemført teoretiske og simuleringsmetoder for subbølgelængderistene inden deres materialefremstilling. For de numeriske simuleringer, de brugte finite element metoden (FEM) i COMSOL Multiphysics 4.2 software. Forskerne brugte den samme FEM -software og metode til at modellere YAG MOWs før fremstilling.

Denne evne til at skabe kontrollerede 3D-nanostrukturer af krystaller åbner nye ruter for at designe kompakte, monolitiske solid-state lasere. De resulterende krystaller kan inkorporere traditionelle hulrumselementer (gitre, fibre, mikrofluidiske kølekanaler) eller nye mikroresonatorer inde i krystallen. Udsigten til at konstruere store, nanostrukturerede laserkrystaller vil give et nyt grundlag for præcisionsteknologi i metrologiske applikationer og muliggøre potentielt nye applikationer med ultra-stærke deformerbare lasernanofibre i mikroelektronik og til lægemiddellevering i medicin.

© 2019 Science X Network