纳米小球辅助飞秒激光近场超衍射加工的研究进展*

娄前峰1,刘子源1,薛 磊2,陶海岩1,林景全1

(1.长春理工大学理学院,长春 130000;2.航空工业成都凯天电子股份有限公司,成都 610000)

[摘要]在飞秒激光加工过程中,如何突破衍射极限一直都是一个重要问题。近年来,纳米小球辅助飞秒激光近场超衍射加工逐渐被认识并发展起来,这一加工方法可以在基底表面产生小于入射激光衍射极限尺度的纳米孔洞,并可以实现大面积加工。从金属纳米小球和介电纳米小球这两个方面入手,分别对它们辅助飞秒激光近场加工的研究进行介绍。

关键词:飞秒激光;近场加工;超衍射极限;纳米小球;近场光学

随着科技的发展,激光加工技术已被广泛应用于信息、军事、医疗和生物等诸多领域。特别是飞秒激光加工,由于其极短的作用时间和极高的峰值功率,具有高精度、“冷”加工、无污染、无接触、控制灵活等优点。由于光学衍射极限的限制,使得低于衍射极限尺度(1/2激光波长)下的激光加工成为难题。目前,激光近场超衍射加工能很好地解决这个问题。例如,利用激光照射金属尖端的方法可以实现20~100nm特征尺寸的加工。金属尖端通常使用显微系统(如扫描探针电子显微镜,原子力显微镜[1]和扫描近场光学显微镜[2])的探针。由于这种方法复杂的控制系统和缓慢的加工速度制约了其工业化生产。然而,纳米小球辅助飞秒激光近场加工可以在基底上实现良好的近场增强,进而在基底上产生超衍射极限尺度的纳米孔洞,并且可以实现超衍射阵列纳米孔洞的快速加工。

产生近场增强的纳米小球主要可以分为两类:金属纳米小球(Au)和介电纳米小球(PS和TiO2等)。这两类纳米小球的近场增强机制都基于纳米散射理论,但二者近场增强的产生机制有所不同。对于金属纳米小球来说,其近场增强的产生是由于在外加光场的激励下纳米小球表面自由电子产生集体振荡形成等离激元共振,从而产生良好的近场增强。而介电纳米小球主要是由透镜效应和米共振效应引起的近场增强。透镜效应是指介电米小球起到聚焦透镜作用,对作用光场进行聚焦实现近场增强。纳米共振效应指的是在外界光场的作用下,主要产生磁偶级振荡模式或磁四级振荡模式能够引起近场增强。

本文将从金属纳米小球和介电纳米小球这两个方面入手,分别对它们辅助飞秒激光近场加工的研究进行介绍。

Au纳米小球近场纳米加工研究

1 Au纳米小球几何参数(小球直径)对纳米孔加工效果的影响

大部分金属纳米小球需要在特定波段的光场激发下,才能产生良好的等离激元共振模式。而Au纳米小球在宽光谱范围内[3](近紫外和可见光波段)都能激发良好的等离激元共振模式,因此Au纳米小球被广泛应用于纳米孔加工研究。光场辐照纳米小球产生等离激元的共振强度不仅受纳米小球材质影响,也受其几何参数影响。如纳米小球的直径会直接影响其近场散射效率[4],近场散射效率可以表征纳米小球把入射电磁场转化为近电磁场的能力,并且与近场增强成正比,其公式为[5]

式中,anbn为米散射系数,x=k0RR为纳米小球的半径,k0为介质波数。k0=2πn′/λn′λ分别为周围介质折射率和入射激光波长。h2x)为第2类球形汉克尔函数。n为振荡模式数(比如,偶极模式n=1,四级模式n=2。)。Nedyalkov等[6]通过式(1),在入射光场波长在200~800nm范围之内,对直径为20nm、80nm和200nm的Au纳米小球在硅基底上的近场散射效率进行计算。计算结果如图1所示,在入射光场波长为800nm时,直径为200nm的Au纳米小球近场散射效率明显高于直径为40nm和80nm的情况。并且进行了进一步的试验研究,如图2[6]所示,利用能量密度为185mJ/cm2的圆偏振飞秒激光(脉冲宽度为100fs,波长为800nm)对硅基底上3种不同直径的Au纳米小球进行辐照,发现直径为200nm的Au纳米小球在硅基底上产生的纳米孔洞最大,与计算结果相符合。同时产生的纳米孔洞尺寸随Au纳米小球的直径减小而减小。Miyanishi等的试验研究结果也得到了相似的结论[7]。因此,在Au纳米小球辅助波长为800nm飞秒激光近场纳米加工研究中,直径为200nm的Au纳米小球被广泛应用。

2 飞秒激光参数对纳米孔加工效果的影响

当Au纳米小球的尺寸一定时,飞秒激光的相关参数也会影响其在基底上的近场增强以及相对应的加工效果。Tanaka等[8]比较了线偏振和圆偏振的飞秒激光(能量密度为220 mJ/cm2)对硅表面纳米孔洞制备所产生的影响,其试验结果与Nedyalkov等相似[6]。如图3[6]所示,在线偏振光作用下,产生的纳米孔洞为椭圆形,且椭圆孔洞的长轴方向与激光的偏振方向平行。在圆偏振光作用下,产生的纳米孔洞则为圆形。通过FDTD Solutions的数值模拟研究得知,产生这一现象的原因是不同激光偏振态在纳米小球与基底表面接触处可激发不同的近场增强空间分布,从而导致了表面加工孔洞形貌的差异。

图1 3个不同尺寸的纳米小球的近场散射效率曲线图
Fig.1 Near-field scattering efficiency curve of 3 different size of nanometer ball

图2 圆偏振飞秒激光在硅基底表面进行纳米孔洞加工的SEM图
Fig.2 Circularly polarized femtosecond laser in the silicon substrate surface of nano holes machining of SEM figure

图3 直径为200nm的金纳米小球的飞秒激光对基底进行加工,产生纳米孔洞的SEM图
Fig.3 SEM image of the nanohole fabricated when 200nm particles are used

但在线性振飞秒激光作用下,基底表面产生的纳米孔洞并非始终为椭圆形,这与激光能量也有着密切关系。Nedyalkov等[9]使用线偏振飞秒激光作了类似试验。发现当飞秒激光能量密度小于硅的烧蚀阈值时,产生的纳米孔洞才为椭圆形。但当飞秒激光能量高于硅的烧蚀阈值时,产生了大于纳米小球直径的圆形孔洞,原因是这种情况下的飞秒激光可以直接在硅表面进行烧蚀,进而产生的烧蚀孔洞形状与光斑形状相同。此外还对线偏振的入射光场(波长为800nm)作用下,硅表面上直径为200nm且彼此之间有一定距离的纳米金球对的近场增强分布进行模拟。模拟结果表明当激光的偏振方向与纳米球对的摆放方向平行时,比孤立纳米小球的近场增强效果更好[10]。反之,产生的近场增强效果与孤立纳米金球的近场增强效果相似。以上研究中,线偏振光都是垂直于基底表面对纳米小球进行辐照,那么改变入射光场的入射角度会对基底表面的近场分布会有怎样的影响?Miyanishi等[7]对线偏振(p偏振和s偏振的)飞秒激光以一定角度辐照200nm的Au纳米小球辅助硅表面纳米加工进行研究。SEM形貌观测结果和模拟近场分布表明,p偏振情况比s偏振情况制备的纳米孔洞更小。同时也发现p偏振飞秒激光以一定角度入射,比垂直入射情况下产生的纳米孔洞小2倍,进而可以实现更好的超衍射加工。

图4 脉冲宽度为100fs的飞秒激光对附着金纳米小球的不同基底进行辐照,产生纳米孔洞的SEM图
Fig.4 SEM images of holes produced in lime glass substrates after irradiation by 100fs laser pulse

3 基底材料对纳米孔加工效果的影响

要在基底表面实现高质量的纳米孔加工效果,需要纳米小球诱导的近场增强与基底进行良好耦合。Nedyalkov等[11-12]对3种典型的基底进行了纳米孔洞加工。这3种基底分别为 Au(导体)、Si(半导体)和SiO2(绝缘介质)。试验结果如图4[12]所示,随着激光能量密度的提高,产生的纳米孔洞却随之减小。说明Au纳米小球在导体上的近场增强最好,半导体次之,最差的是绝缘体。这说明基底对于Au纳米小球辅助飞秒近场加工具有显著的影响。这一现象可以通过镜像电荷理论来说明。在外电场作用下,基底内产生感应电荷,此时基底内部镜像电荷的计算公式为[13]

式中,q′为镜像电荷,q为诱导镜像电荷的初始电荷,εs为基底的介电常数,εa为空气的介电常数。如公式(2)所示,镜像电荷的多少正比于基底的介电常数的大小。所以,基底的介电常数越大,产生的镜像电荷越多,纳米小球诱导的近场增强与基底耦合的越好,进而增强在基底上的纳米孔洞加工效果。Nedyalkov等[14]发现Au纳米小球辅助飞秒激光在基底表面进行纳米加工时,加工纳米孔洞效果不仅与基底表面近场增强有关,同时也受基底的折射率和小球本身的热效应影响。在高折射率的基底(Si)上,基底对纳米金球的近场增强耦合良好,这时主要是Au纳米小球的近场增强影响纳米孔加工,从而产生的椭圆形的纳米孔洞,且长轴的方向与激光的偏振方向平行。相对的,在低折射率基底上(PMMA),基底受Au纳米小球近场增强的影响降低,这时主要通过纳米小球与基底的热传导诱导基底表面形变,从而实现纳米孔加工。所以,后者产生的纳米孔洞不受激光的偏振影响,只与球体和表面接触面积有关,进而产生了对称性高的圆形纳米孔洞。

4 Au纳米小球阵列排布对纳米孔加工效果的影响

基于单一Au纳米小球研究的基础,Nedyalkov等[15]进一步研究了阵列Au纳米小球在铂表面产生的近场增强。试验结果表明,在低能量密度的飞秒激光作用下,通过Au纳米小球阵列并没有获得阵列的纳米孔洞加工,而通过单一Au纳米小球却在基底上产生了纳米孔洞。通过数值模拟分析发现,随着小球间距的减小表面近场增强也快速衰减,如图5[16]所示,其中黑白图(右图)为横截面上的近场强度增强│E/E02分布)。对于单个Au纳米小球在激发电偶极共振模式的情况下,它的光吸收截面远大于其结构本身的横截面[16],因此当Au纳米小球紧密排列在一起时,阵列中每个小球平均的光吸收截面相对单一小球有所减小,进而减小基底上的近场增强效果。同时,Au纳米小球之间的强耦合作用也会减小其在基底上的近场增强。

介电纳米小球近场加工的研究

1 低折射率聚苯乙烯(PS)纳米小球近场纳米孔加工的研究

低折射率的PS纳米小球具有透镜效应[17-18],可以在硅、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等基底表面实现超衍射加工。对于PS纳米小球尺寸对纳米加工效果的影响方面与Au纳米小球不同,PS纳米小球的直径大小与加工的纳米孔洞尺寸大小成正比,而对于Au纳米小球主要是要满足激光波长与纳米小球直径的适当匹配,不是直径越大越好,相关研究为:Takada等[19]在入射光场波长为800nm的情况下,对直径分别为200nm、450nm和820nm的PS纳米小球在PMMA基底上的近场增强效应进行FDTD数值模拟。结果表明随着纳米小球的直径增大,产生的近场增强也随之增大。并且使用波长为800nm,脉冲宽度为100fs的飞秒激光进行试验,试验结果如表1[20]所示,发现在纳米小球下产生的纳米孔径的深度和直径随纳米小球直径增大而增大,与模拟结果相符。对于低折射率PS介电纳米小球,其产生近场增强的物理机制受尺寸参数[20]影响。当介电纳米小球直径接近或大于入射光波长时,光学透镜效应起主要作用[21],直径越大近场增强效果越好,近场增强最强处在介电小球的聚焦位置上。且当介电纳米小球直径小于入射光波长时,米共振效应会对介电小球的内部和外部的电磁场分布[22]产生影响。因此PS纳米小球尺寸越大,其产生的透镜效应越明显,其获得的近场增强也就越强,同时加工的孔洞也会越大。

Afanasiev[23]和Bityurin[24]等使用双色飞秒激光(400nm+800nm)对PMMA基底上直径为450nm的PS纳米小球阵列进行试验研究。首先,根据以上PS小球透镜聚焦规律,结合数值模拟研究发现,在飞秒激光波长(400nm)与PS纳米小球直径相近时,可以实现良好的聚焦。而当激光波长(800nm)大小近PS纳米小球直径2倍时,无法在基底上实现聚焦效果。随后,使用飞秒激光对附着直径近400nm的PS纳米小球阵列的PMMA基底进行辐照。试验表明,双色双脉冲飞秒激光(400nm+800nm)作用相对于单色飞秒激光(400nm)作用,可以实现更好的加工效果。这是因为在双色双脉冲作用过程中,基底通过对400nm飞秒激光的吸收,在基底表面激发出更多的自由电子,改变基底表面的介电环境,进而增强了对800nm飞秒激光的吸收能力。在激光能量密度对纳米加工的影响方面,Takada等[19]试验结果说明,随着飞秒激光能量的增加产生的纳米孔径的深度和直径也随之增大(如表1所示)。Sakai等[25]对激光能量密度对加工效果的影响做了进一步研究。研究结果如图6所示,通过控制激光能量密度大小,可以在PMMA基底上制造出不同的纳米阵列结构。在低能量密度(4J/cm2)作用下,在PS纳米小球与基底接触处形成了纳米孔洞,且直径尺寸范围为84~143nm(图6(b))。在较高能量密度(8.5J/cm2)作用下,纳米小球没有起到透镜作用,反而起到掩膜版的作用,在纳米小球阵列的间隙中,产生直径为72~103nm的纳米孔洞(如图6(c))。产生这种现象的原因是较高能量的飞秒激光与PS纳米小球相互作用过程中发生了光学击穿,进而产生了自由电子激发。因此使PS纳米小球瞬时介电环境向类金属化特性转化,从而增强了在基底表面的近场增强。

图5 阵列金纳米小球不同间距下,基底表面近场强度增强分布图
Fig.5 Color online electric field intensity distribution on the substrate surface produced by gold nanoparticle array

表1 在硅基底上产生纳米孔洞的平均尺寸

Sakai等[26]对PS纳米小球在硅基底表面近场增强规律进行了数值模拟研究,得到在硅基底内部的光场分布规律。在线性偏振光作用下,PS纳米小球在硅基底内部可以形成椭圆形的近场增强区域,且长轴与入射激光的偏振方向相互垂直。在试验方面,Sakai等[27]通过阵列PS纳米小球辅助飞秒激光在硅基底表面进行纳米加工试验。研究结果表明,在线性偏振光作用下,PS纳米小球阵列在硅基底上产生的纳米孔洞为椭圆形,且椭圆形纳米孔洞的长轴与入射激光的偏振方向相互垂直,与模拟结果相符。这不同于Au纳米小球情况下,产生的椭圆形纳米孔洞的长轴方向与激光偏振方向平行的加工结果。这是由于其产生表面近场增强的机制不同所导致的。

2 高折射率介电小球近场纳米孔加工的研究

基于透镜效应加工机制的PS纳米小球被广泛应用于以PMMA为代表的透明基底表面纳米孔洞加工之中[19,23,25]。同时要获得更紧密排列的纳米孔阵列时,因直径过小而产生不理想的微透镜聚焦效果也对其近场加工具有一定的限制,而且对于硅、金属等基底的加工效果也并不十分理想[26]。Tanaka等[13]研究发现,入射光场波长为820nm的条件下,真空中200nm高折射率介电小球(c-Silicon)能被激发磁偶极共振模式,比200nm的Au纳米小球有着更高的近场散射效率。对于低折射率的玻璃基底,研究结果表明高折射率的介电纳米小球激发的磁偶极共振模式比Au纳米小球激发的电偶极共振模式在基底表面激发近场增强效果更显著(如图7[13]所示)。

通过在SiO2和Si基底上进行试验发现[28-29],高折射率介电小球(TiO2)可以在这两种基底上辅助飞秒激光也能进行良好的纳米孔洞加工。如图8[28]所示,分别使用能量密度低于SiO2烧蚀阈值一半(3.8J/cm2)和低于硅基底烧蚀阈值一半(82mJ/cm2)的飞秒激光对附着纳米小球的两种基底进行辐照,分别产生直径为90nm和100nm的纳米孔洞(虚线所画区域为所用小球的轮廓图)。当激光能量密度增加时,纳米孔洞的尺寸也随之增大。根据以上结果可知,对于低折射率基底,高折射率介电纳米小球比Au纳米小球具有更好的加工效果[13]

在单一高折射率介电小球的近场增强的基础上,Tanaka等[30]对高折射率介电小球组成的二维阵列产生的近场增强效应进行了数值模拟与试验研究。研究结果表明,高折射率小球阵列与Au纳米小球阵列相比,因纳米小球之间的强耦合作用而造成近场增强的削弱影响较小,更适合纳米孔洞阵列的加工应用。国内对高折射率介电小球也做了相应的研究,焦悦等[31]对TiO2纳米小球的近场增强做了相应的研究。通过研究发现TiO2阵列纳米小球在金属(Pt)、半导体(Si)和绝缘体(SiO2)上都能产生良好的近场增强,并且随着基底折射率的增加近场增强效果也随之增强。

图6 通过控制激光能量密度大小,在PMMA基底上制造出不同的纳米陈列结构
Fig.6 By controlling the laser energy density, can produce different on PMMA basal nanometer array structure

图7 玻璃基底上直径为200nm的近场分布
Fig.7 Glass substrate is a diameter of 200 nm near field distribution of the ball

图8 不同能量密度的激光对基底进行辐照
Fig.8 Different energy density laser irradiation on base

结论

本文系统地综述了金属纳米小球(Au)和介电纳米小球(PS,c-Silicon和TiO2)通过近场增强实现纳米加工的研究。Au纳米小球在金属及硅基底表面可以通过飞秒激光诱导产生等离激元共振实现非常显著的局域近场增强,从而获得理想纳米孔洞的加工效果。对于绝缘介质材料,Au球与基底表面接触处的等离激元共振难以被激发,因此很难获得良好的加工效果。对于介电小球(如c-Silicon),通过磁偶级振荡吸收入射激光,在金属、硅及绝缘介质均能产生基底表面的局域近场增强,但与Au在金属表面的增强效果相比还有一定差距。因此在纳米孔制备过程中,要根据基底的介电环境,选择恰当材质及尺寸的介电纳米小球才可以实现理想的近场增强效果,从而实现超衍射纳米孔的加工。在大面积制备应用方面,因介电小球阵列可有效改善Au球阵列中小球之间相互干扰的不足,其研究应进一步深入。近场纳米加工需要优化小球所处的介电环境及小球尺寸来获得最佳的加工效果,虽能很好地实现超衍射纳米加工,但是也存在不能灵活控制加工图案及尺寸的不足,因此如何改善这个问题将会是未来的重要研究方向。

参 考 文 献

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Femtosecond Laser Near-Field Process by Nanospheres Beyond Diffraction Limit: Theoretical and Experimental Development

LOU Qianfeng1, LIU Ziyuan1, XUE Lei2, TAO Haiyan1, LIN Jingquan1
(1.School of Science, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130000, China;2.AVIC Chengdu CAIC Electronics Co., Ltd., Chengdu 610000, China)

[ABSTRACT]During the femtosecond laser processing, how to break through the diffraction limit has always been an important problem.In recent years, nanospheres auxiliary femtosecond laser near field processing with characteristic size beyond the diffraction limit is recognized and developed gradually.It can fabricate nanoholes on the substrate surface of which scale is smaller than the incident laser diffraction limit, and can realize large area processing.In this paper, we will focus on the metal nanospheres and dielectric nanospheres, and introduce the study of nanospheres assisted femtosecond laser near field processing.

Keywords:Femtosecond laser; Near field processing; Beyond diffraction limit; Nanoparticles; Near field optics

DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2018.06.057

娄前峰

硕士研究生,研究方向为基于纳米球近场效应的飞秒激光纳米加工。

*基金项目:国家自然科学基金项目(60615017);吉林省优秀青年人才基金项目(20180520198JH);长春理工大学青年科学基金项目(XQNJJ-2015-01)。

通讯作者:陶海岩,讲师,研究方向为飞秒激光与微纳结构制备,E-mail: hytao@cust.edu.cn。

(责编 大漠)