一种飞秒激光调控GemSbnTek晶态纳米结构几何形态方法

摘要

一种飞秒激光调控GemSbnTek晶态纳米结构几何形态方法，属于飞秒激光应用领域。该方法通过多脉冲飞秒激光脉冲诱导无定形GemSbnTek薄膜材料去润湿效应制备多维晶态纳米结构的基础上，通过对入射飞秒激光脉冲偏振态进行控制，实现对多维纳米结构几何形态的控制。当采用线偏振飞秒激光脉冲辐照时，所得晶态纳米结构呈各向异性的纺锤形几何形态，且长轴方向垂直于入射激光线偏振方向；当采用圆偏振飞秒激光脉冲辐照时，所得晶态纳米结构呈各项同性圆球形几何形态。本方法简单有效，通过激光偏振态的调节，精确控制产生纳米结构的几何形态，从而控制电介质纳米结构的光学响应。该方法在大面积、低损耗光子应用上光的控制具有至关重要的应用前景。

权利要求

1.一种飞秒激光调控GemSbnTek晶态纳米结构几何形态方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，样本制备：在基底表面镀20～70nm厚的无定形GemSbnTek薄膜；

步骤二，激光能量调节：利用半波片-偏振片组合及中性密度衰减片调节激光能量使之大于淀积薄膜样本的烧蚀阈值，且激光能量能够连续调节，脉冲能量调节为多脉冲烧蚀阈值的1.2～2.5倍；

步骤三，将被加工样本固定在六维平移台上，通过成像CCD观测，调整光路，确保激光入射方向与所加工样本表面垂直；

步骤四，在线偏振态多脉冲飞秒激光作用下调节不同的线偏振方向，或者对激光偏振态进行调控呈圆偏振态；

在线偏振飞秒激光作用条件下，激光作用区域表面结构沿着高斯形激光分布，自边缘向中心呈现出表面波纹结构-周期性排列纳米结构-单纳米颗粒复合结构，其中表面波纹结构及周期性排列纳米结构排列方向垂直于线偏振激光方向，且周期性排列纳米结构呈长轴垂直于激光偏振方向的各向异性椭球几何形态，中心单纳米颗粒呈现长轴垂直于激光偏振方向的各向异性纺锤形几何形态；

在圆偏振态多脉冲飞秒激光作用下，激光作用区域表面结构沿高斯形激光分布，自边缘向中心呈现均匀排列纳米结构-单纳米颗粒复合结构，其中均匀排列的纳米结构呈现各向同性的球形结构，中心单纳米颗粒亦呈现各向同性的球形几何形态；

在所选基底表面，二氧化硅、硅或SOI材料上淀积无定形GemSbnTek薄膜采用磁控溅射的方法，厚度范围为20nm～70nm，m，n，k值的选择通过磁控溅射所用靶材成分控制。

2.根据权利要求1所述的一种飞秒激光调控GemSbnTek晶态纳米结构几何形态方法，其特征在于：步骤四中，所述激光偏振态的调控方法包括以下步骤：(1)在光路中加入半波片，调节半波片光轴与初始激光偏振方向夹角得到沿不同方向的线偏振飞秒激光脉冲；

(2)打开机械开关，借助成像CCD，通过消色差双胶合平凸透镜把激光聚焦到材料表面；

(3)调整入射激光频率并控制机械开关开启时间，使得入射激光脉冲以设定的脉冲个数辐照到被加工样本表面，脉冲个数为100～500；

(4)在不同线偏振激光方向飞秒激光脉冲作用下，在被加工样本表面加工出各向异性复合表面结构；

或者在光路中加入四分之一波片，通过调节波片光轴方向与初始激光偏振方向呈45°夹角得到圆偏振态飞秒激光；在多脉冲圆偏振飞秒激光的作用下，在样本表面加工出几何形态各向同性及排列均匀的复合纳米结构。

3.根据权利要求1所述的一种飞秒激光调控GemSbnTek晶态纳米结构几何形态方法，其特征在于：所述晶态纳米结构几何形态调控方法在于通过采用高斯分布飞秒激光多脉冲作用于无定形GemSbnTek薄膜表面，基于表面周期性结构产生条件，在1.2～2.5倍多脉冲阈值能量的作用条件下辐照样本表面；根据高斯激光能量分布特点，淀积在薄膜上的脉冲能量将材料表面分为两个物理反应区域，中心超过薄膜烧蚀阈值区域，材料与基底产生热隔离，一方面材料发生融化并在瑞利不稳定性的作用下减小表面积以趋于稳定态，最终在中心凝固形成单个纳米结构；另一方面被切割的圆形薄膜材料在瑞利不稳定性及多脉冲飞秒激光诱导表面周期性结构产生机制的综合影响下在线偏振激光条件下形成垂直于激光偏振方向排列的纳米结构。

说明书

一种飞秒激光调控GemSbnTek晶态纳米结构几何形态方法

技术领域

[0001] 本发明涉及飞秒激光应用领域，尤其涉及一种控制飞秒激光多脉冲诱导无定形GemSbnTek薄膜制备晶态纳米结构几何形态调控的方法。

背景技术

[0002] 超材料一经发现就引起了广泛的人们广泛的关注，通常认为超材料为经人工复合所制备出的具有自然界所不具有的物理特性复合结构。目前，超材料多由小于光学波长的结构以重复的方式排列在材料表面，这种结构可以为金属、电介质等材料。近年来，基于贵金属表面等离子体共振特性的超材料替代物引起了学术界的广泛关注，以克服贵金属结构在光学频率所表现出的自由载流子的吸收损耗。基于电场和磁场米式共振的透明电介质纳米结构为贵金属超材料表面提供了一种有效的低损耗可替代结构。作为一种典型的超快相变材料， GemSbnTek以其良好的热稳定性、高转转换速率及高重写周期特性被广泛的应用于光盘存储及不易挥发性电子存储领域。在不同温度条件下，GST能够在无定形态和晶态之间相互转换，并呈现出较高的光学、电学等特性差异，可广泛应用于光子学、光电子学、热辐射源和生物光学器件中，具有巨大的应用及开发潜力。迄今为止，涌现出诸多纳米结构的制造方法，用于制备功能纳米结构表面，包括电子束刻蚀、干法深刻蚀、激光直写、多光束干涉及复制模塑技术等。大量研究表明超材料表面纳米结构的形状、大小、方向、排列以及周围介质环境直接决定着超材料表面对电磁波的操纵及响应能力。因而，对基底表面电介质纳米结构的制备及形态调控成为当前超材料表面领域的重点及难点。目前加工方法通常存在加工效率低、成本高、工序复杂等缺点，而在众多的加工方法中，飞秒激光直写技术以其高精度、高扩展性及高可控性的独特优势成为表面纳米结构极具前景的加工方法。日益发展的激光技术使得激光光源在能量、时间、空间方面达到了前所未有的选择和可控性，进一步促进了激光微纳制造技术的发展。在文献“Laser printing of silicon nanoparticles with resonant optical electric and magnetic responses”中，Zywietz等人通过飞秒激光诱导材料转移在接受器表面实现了硅纳米颗粒的制备。然而这种加工方法对加工条件要求苛刻，需要额外的接收器。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种控制飞秒激光多脉冲诱导无定形 GemSbnTek薄膜制备晶态纳米结构形态的方法，发展一种飞秒激光可控制备全电介质超材料表面加工方法，进一步拓展纳米尺度内对电磁波操控及响应方面的实际应用。

[0004] 本发明的思想是通过采用高斯分布飞秒激光多脉冲作用于无定形GemSbnTek薄膜表面，基于表面周期性结构产生条件，即在1.2～2.5 倍多脉冲阈值能量的作用条件下辐照样本表面。根据高斯激光能量分布特点，淀积在薄膜上的脉冲能量将材料表面分为两个物理反应区域，中心超过薄膜烧蚀阈值区域，材料与基底产生热隔离，一方面材料发生融化并在瑞利不稳定性的作用下减小表面积以趋于稳定态，最终在中心凝固形成单个纳米结构；另一方面被切割的圆形薄膜材料在瑞利不稳定性及多脉冲飞秒激光诱导表面周期性结构产生机制的综合影响下在线偏振激光条件下形成垂直于激光偏振方向排列的纳米结构。而对于高斯形飞秒激光脉冲激光边缘区域，在线偏振多脉冲飞秒激光作用下由于入射激光与表面等离子体波的干涉形成了垂直于激光偏振方向的表面周期性结构，即表面波纹结构。
最终在整个激光作用区域形成了多维表面波纹结构-周期性排列纳米结构-单纳米结构的复合结构。多脉冲的加工条件为结构形态调控提供了必要作用机制，前续脉冲作用下所形成的微纳结构对后续激光脉冲作用下的电场分布产生反馈作用。线偏振激光作用下，在激光作用过程中形成的初始光栅结构作用下使得后续激光作用区域中心电场分布沿着光栅分布方向，即垂直于激光偏振方向，产生了定向增强，从而使得中心薄膜材料在激光作用下融化，在垂直于激光偏振方向上的热应力扰动下凝聚为长轴平行于表面波纹结构方向的纺锤形纳米结构。圆偏振激光作用下，中心电场分布各向同性，在去润湿效应的作用下，激光作用中心区域形成各向同性的纳米结构。

[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0006] 一种飞秒激光调控GemSbnTek晶态纳米结构几何形态方法，该方法包括以下步骤：

[0007] 步骤一，样本准备，在基底表面通过磁控溅射方法淀积20～70nm 的无定形GemSbnTek薄膜；

[0008] 步骤二，激光能量调节：利用半波片-偏振片组合及中性密度衰减片调节激光能量使之大于淀积薄膜样本的烧蚀阈值，且激光能量能够连续调节，作为优选，脉冲能量调节为特定脉冲个数烧蚀阈值的1.2～2.5倍；

[0009] 步骤三，将被加工样品固定在六维平移台上，通过成像CCD观测，调整光路，确保激光入射方向与所加工样本表面垂直；

[0010] 步骤四，在线偏振态多脉冲飞秒激光作用下调节不同的线偏振方向，或者对激光偏振态进行调控呈圆偏振态；

[0011] 在线偏振飞秒激光作用条件下，激光作用区域表面结构沿着高斯形激光分布，自边缘向中心呈现出表面波纹结构-周期性排列纳米结构-单纳米颗粒复合结构，其中表面波纹结构及周期性排列纳米结构排列方向垂直于线偏振激光方向，且周期性排列纳米结构呈长轴垂直于激光偏振方向的各向异性椭球几何形态，中心单纳米颗粒呈现长轴垂直于激光偏振方向的各向异性纺锤形几何形态；

[0012] 在圆偏振态多脉冲飞秒激光作用下，激光作用区域表面结构沿高斯形激光分布，自边缘向中心呈现均匀排列纳米结构-单纳米颗粒复合结构，其中均匀排列的纳米结构呈现各向同性的球形结构，中心单纳米颗粒亦呈现各向同性的球形几何形态；

[0013] 进一步的，步骤四中，所述激光偏振态的调控方法包括以下步骤：

[0014] (1)在光路中加入半波片，调节半波片光轴与初始激光偏振方向夹角得到沿不同方向的线偏振飞秒激光脉冲；

[0015] (2)打开机械开关，借助成像CCD，通过消色差双胶合平凸透镜把激光聚焦到材料表面；

[0016] (3)调整入射激光频率并控制机械开关开启时间，使得入射激光脉冲以设定的脉冲个数辐照到被加工样本表面，脉冲个数为 100～500；

[0017] (4)在不同线偏振激光方向飞秒激光脉冲作用下，在被加工样本表面加工出各向异性复合表面结构；

[0018] 或者在光路中加入四分之一波片，通过调节波片光轴方向与初始激光偏振方向呈45°夹角得到圆偏振态飞秒激光。在多脉冲圆偏振飞秒激光的作用下，在样本表面加工出几何形态各向同性及排列均匀的复合纳米结构。

[0019] 作为优选，通过对所述六维移动平台移动程序进行编程，对相邻两激光辐照点的位置进行控制，可以得到均匀排布的复合纳米结构阵列。

[0020] 作为优选，所述加工物镜选择焦距为100mm双胶合平凸透镜。

[0021] 作为优选，所述在被加工样本表面进行镀GemSbnTek膜处理采用磁控溅射的方法，厚度范围为20nm～70nm。

[0022] 作为优选，所述被加工样本基底选择硅、二氧化硅或SOI材料。

[0023] 有益效果

[0024] 本发明提出了一种全电介质纳米结构的方法，且可精确控制纳米结构的几何形态，优化其光学响应。全电介质纳米结构的低损耗为强磁共振的激发提供了条件，同时能够代替等离子体纳米结构在可见光波段的高欧姆损耗表现出较好的光学响应。本发明的提出对于全电介质纳米光子学器件的发展及超材料的制备具有至关重要的应用价值。

附图说明

[0025] 图1为具体实施例中，飞秒激光调控GemSbnTek晶态纳米结构几何形态加工光路图：

[0026] 标号：1-飞秒激光器；2-第一半波片；3-偏振片；4-中性密度衰减片；5-机械开关；6-二向色镜；7-分束镜；8-照明白光源；9-平凸透镜；10-成像CCD；11-第二半波片；12-四分之一波片；13-加工物镜；14-待加工样本；15-六维移动平台。

[0027] 图2是本发明方法的工艺流程示意图。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的介绍。

[0029] 本实施方式中，采用不同偏振态多脉冲飞秒激光诱导无定形 GemSbnTek薄膜制备多维晶态纳米结构并对其几何形态进行调控的方法，具体加工光路如图1所示。其加工光路为飞秒激光器1产生飞秒激光脉冲，飞秒激光脉冲经过第一半波片2、偏振片3、中性密度衰减片4，机械开关5后，被二向色镜6反射后经第二半波片11、四分之一波片12后经加工物镜13聚焦到样本14表面，待加工样本14固定在六维移动平台15上；照明白光源8经过分束镜7、二向色镜6、第二半波片11、四分之一波片12及加工物镜13后照射到样本14后反射光经加工物镜13、四分之一波片12、第二半波片11、二向色镜 6，被分束镜反射7经平凸透镜9后入射到成像CCD10中。

[0030] 实验过程中采用的飞秒激光器参数如下：中心波长为800nm，脉冲宽度为35fs，重复频率为1kHz，线偏振；实验中待加工样品为基底上淀积有20-70nm厚的无定形GemSbnTek薄膜。

[0031] 飞秒激光器1采用美国光谱物理(Spectrum Physics)公司生产的激光器，激光波长800nm，脉冲宽度35fs，重复频率1KHz，单脉冲最大能量3mJ，光强分布为高斯形，线偏振。

[0032] 中性密度衰减片4采用大恒光电GCC-3030圆形中性密度渐变滤光片，在可见光到红外光区内可通过调整镜片的旋转角度，改变吸收 /反射光与透射光的比例来改变光衰减的大小，激光能量调节范围为 1％—90％。

[0033] 机械开关5采用Thorlabs公司生产的SH05，可以控制激光曝光时间，其开关响应时间为1ms。

[0034] 具体实施例一：

[0035] 以加工不同形态晶态Ge2Sb2Te5各向异性几何形态全电介质复合纳米结构为例，采用本发明的多脉冲飞秒激光调控方法，所采用的飞秒激光脉冲为线偏振态，具体加工步骤如下：

[0036] 调整光路，确保激光入射方向与所加工样本表面垂直；

[0037] (1)样本制备：本实施例通过磁控溅射的方法在 10mm×10mm×1mm的二氧化硅样本上镀50nm厚Ge2Sb2Te5膜；

[0038] (2)调节能量：利用第一半波片2和偏振片3组合及中性密度衰减片4调节激光能量使之大于被加工样本薄膜表面烧蚀阈值1.1μJ，且激光能量能够连续调节；

[0039] (3)利用焦距为100mm的双胶合平凸透镜13对飞秒激光脉冲进行聚焦，被加工样品14固定在六维移动平台15上，通过成像CCD8 的观测，调节光路使得入射激光垂直于样本14表面；

[0040] (4)保持飞秒激光系统1脉冲频率为1kHz，设定机械开关5开启时间为100ms，使得辐照至样本表面脉冲数为100；

[0041] (5)以10°为步长调节第二半波片光轴与初始激光偏振方向夹角，使得激光偏振方向以20°为步长连续可调，α角从0°增大至180°，在不同线偏振激光方向下，即不同α角，对被加工样本表面进行辐照，得到波纹结构方向及纳米结构长轴方向随激光偏振方向连续变化的表面波纹结构-周期性排列纳米结构-单纳米颗粒复合结构。

[0042] 实施例2：

[0043] 以消除线偏振多脉冲制备晶态Ge2Sb2Te5复合纳米结构各向异性使其呈现各向同性几何形态为例，采用本发明的多脉冲飞秒激加工偏振调控方法，所采用的飞秒激光脉冲为圆偏振态，具体加工步骤如下：

[0044] 其它步骤与实施例1相同，不同之处在于：在步骤(2)能量调节进行前在光路中加入四分之一波片12，调节四分之一波片12，使得波片光轴方向与原激光偏振方向夹角45°从而得到圆偏振飞秒激光脉冲。

[0045] 在步骤(5)中以圆偏振态飞秒激光脉冲条件下进行加工，通过改变入射脉冲能量大小，得到随着脉冲能量增大尺寸逐渐减小的均匀排布的纳米颗粒-单纳米颗粒复合结构，不同尺寸的纳米颗粒均为各向同性球形结构，各向异性消除，纳米结构均呈现各向同性的几何结构。

[0046] 以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。