Femtosecond laser micro-nano structuring of solid surfaces: Fundamentals and applications

Abstract

Controlling the interactions of laser beams with matter is crucial for the success and scalability of materials processing applications. The optimal interplay between the laser irradiation and material parameters allows controlled modification of surface properties at different length scales adding a new dimension to materials properties optimization. For a given wavelength, the laser pulse duration is a critical parameter and processing by ultrashort (i.e. sub-picosecond) laser pulses opens new exciting possibilities. In comparison to ps and longer laser pulses, ultrafast laser processing provides two major advantages: (a) a net decrease of the ablation threshold for identical laser wavelength and focusing conditions, and (b) an important decrease of the heat affected zone that can greatly reduce the extent of collateral damage to the surrounding area,[2] allowing the production of sub-wavelength nanostructures. Such characteristics are due to the rapid energy deposition inside the target material and the subsequent non-linear processes induced at the focal point. Experimentally, it has been shown that the internal thermalization of the electron distribution following excitation by a femtosecond (fs) laser pulse takes place within one ps. Thermalization between the electron subsystem and the lattice is usually longer and is of the order of several ps, depending on the electron–phonon coupling strength. Thus, ultrafast laser excitation generates a hot electron gas which is in a highly non-equilibrium state with the lattice. As a consequence, direct irradiation of materials by ultrafast laser pulses induces modifications leading to complex micro- and nano-scale surface features, which are often found to have unique properties and cannot be realized by other, non-laser based techniques. Laser micro- and nanostructuring of materials is important in many scientific, technological and biological applications, such as the fabrication of opto- and nanoelectronic devices, information storage systems, control over the mechanical and optical properties of solids, microfluidics and biomedical engineering. In this thesis we present the fabrication, and formation mechanisms of different kinds of micro- and nano-scale structures on the surface of semiconducting and metallic materials fabricated by means of ultrafast laser processing. Two distinct approaches are reviewed including laser surface modification in controlled gas and liquid media respectively. Emphasis will be placed on the exploitation of the materials and structures attained to modern applications for which there is an increasing demand over the previous years. Besides presenting recent advances achieved by these techniques, it will also delineate existing limitations and discuss emerging possibilities and future prospects.

Ο έλεγχος της αλληλεπίδρασης μιας δέσμης λέιζερ με την ύλη αποτελεί κρίσιμη παράμετρος για την επιτυχή και κλιμακωτή επεξεργασία υλικών. Η κατάλληλη αλληλεπίδραση μιας ακτινοβολίας λέιζερ με τις παραμέτρους ενός υλικού, επιτρέπει την ελεγχόμενη τροποποίηση των ιδιοτήτων της επιφάνειας σε διαφορετικές κλίμακες μήκους, προσθέτοντας μια νέα διάσταση στην βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων του υλικού. Για ένα δεδομένο μήκος κύματος, η διάρκεια παλμού του λέιζερ αποτελεί μια κρίσιμη παράμετρος ενώ η επεξεργασία με υπερβραχής (π.χ. sub-Picosecond (sub-ps)) παλμούς λέιζερ ανοίγουν νέες συναρπαστικές δυνατότητες. Σε σύγκριση με ps και μεγαλύτερης διάρκειας παλμούς, η επεξεργασία υλικών με υπερβραχής παλμούς λέιζερ παρέχει δυο σημαντικά πλεονεκτήματα. (α) Σαφή μείωση του ενεργειακού ορίου αποδόμησης για το ίδιο μήκος κύματος λέιζερ και εστιακής απόστασης. (β) Σημαντική μείωση της θερμικά επηρεασμένης ζώνης που μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την έκταση των παράπλευρων απωλειών της γύρω περιοχής, επιτρέποντας την παραγωγή υπό του μήκους κύματος (sub-wavelength) νανοδομές. Τέτοια χαρακτηριστικά προέρχονται λόγω της ταχείας εναπόθεσης ενέργειας μέσα στο υλικό/στόχο και την επακόλουθη μη γραμμική διαδικασία που επάγεται στο σημείο εστίασης. Πειραματικά έχει δειχθεί ότι η εσωτερική θερμοποίηση (Internal thermalization) της ηλεκτρονικής κατανομής μέσο διέγερσης από femtosecond (fs) παλμών λέιζερ λαμβάνει χώρα εντός ενός ps. Η θερμοποίηση/αλληλεπίδραση μεταξύ του ηλεκτρονικού υποσυστήματος και πλέγματος είναι συνήθως μεγαλύτερης χρονικής διάρκειας, της τάξης αρκετών ps, αναλόγως με την δύναμη της σύζευξης ηλεκτρονίου-φωνονίου. Επομένως η υπερβραχής διέγερση με λέιζερ δημιουργεί ένα θερμικό αέριο ηλεκτρονίων που βρίσκεται σε μια κατάσταση μη ισορροπίας με το πλέγμα. Συνεπώς η άμεση ακτινοβόληση υλικών με υπερβραχής παλμούς επάγει τροποποίηση αυτού, οδηγώντας σε πολύπλοκες μίκρο/νάνο δομές στην επιφάνεια. Αυτές διαθέτουν συχνά μοναδικές ιδιότητες που δεν μπορούν να υπάρξουν με άλλες μη-λέιζερ τεχνικές. Σε αυτή την εργασία μελετάτε η κατασκευή, καθώς και βασικές αρχές του μηχανισμού δημιουργίας διαφόρων ειδών μίκρο/νάνο δομών στην επιφάνεια ημιαγωγών και μετάλλων κατασκευασμένων με την βοήθεια υπερβραχέων παλμών λέιζερ. Δύο ξεχωριστές προσεγγίσεις συμπεριλαμβάνουν την ακτινοβόληση με διαμορφωμένους χρονικά και μη παλμούς, καθώς και την ακτινοβόληση υλικών εντός περιβάλλοντος ελεγχόμενου αερίου υγρού. Έμφαση θα δοθεί στην αξιοποίηση των υλικών και των δομών σε σύγχρονες επιστημονικές, τεχνολογικές και βιολογικές εφαρμογές, όπως η κατασκευή οπτικό και νανοηλεκτρονικών συσκευών, έλεγχο των μηχανικών και οπτικών ιδιοτήτων στερεών, μικρορευστομηχανικών και βιοïατρικής τεχνολογίας, με αυξανόμενη ζήτηση κατά την διάρκεια των τελευταίων ετών. Τέλος θα τεθούν, συζητηθούν οι περιορισμοί και δυνατότητες και προοπτικές.