Percer les secrets du laser

Par Nagoya Institute of Technology14 janvier 2023

En utilisant un laser Ti:Sapphire et un laser à électrons libres dans l'infrarouge moyen (MIR-FEL) pour structurer le silicium, les scientifiques ont démontré comment la structure de surface périodique induite par laser (LIPSS) varie en fonction des propriétés du laser. Crédit : Reina Miyagawa de l'Institut de technologie de Nagoya

Les chercheurs ont identifié les effets du choix du laser sur LIPSS, donnant un aperçu des paramètres de fabrication clés.

Les appareils électroniques et optiques que nous utilisons quotidiennement, tels que les téléphones portables, les LED et les cellules solaires, utilisent des transistors et d'autres composants qui deviennent de plus en plus petits et compacts. Avec un besoin toujours croissant de puissance de calcul, de stockage et d'efficacité énergétique, cette tendance ne fera que se poursuivre vers de nouveaux extrêmes.

La production de composants aussi petits pour les appareils électroniques nécessite l'usinage et la préparation de structures à des échelles submicroniques, jusqu'à des centaines de fois plus petites que la largeur d'un cheveu humain. Mais les méthodes actuelles de nanofabrication de surfaces utilisent la photolithographie et la lithographie par faisceau d'électrons, des méthodes compliquées, extrêmement coûteuses, généralement inaccessibles et nécessitant un haut niveau d'expertise.

La structure de surface périodique induite par laser (LIPSS) a été désignée comme une alternative nouvelle et prospective à ces méthodes. Dans LIPSS, les lasers femtosecondes sont utilisés pour délivrer des impulsions laser ultracourtes qui conduisent spontanément à la formation de motifs périodiques sur la surface qui sont beaucoup plus petits que la longueur d'onde du laser.

Un paramètre bien connu dans LIPSS est le choix de la longueur d'onde du laser, qui affecte directement la périodicité des structures formées. Cependant d'autres paramètres sont restés inconnus. Les principales préoccupations concernant l'utilisation normalisée de LIPSS incluent la qualité de la structure de surface formée, à savoir la cristallinité du substrat, le potentiel de défauts et la déformation. Pour produire de manière cohérente des LIPSS avec des propriétés et des caractéristiques contrôlables pour des applications spécifiques, il est essentiel de comprendre quelles sources laser doivent être utilisées pour quel besoin particulier.

Grâce à un choix approprié de propriétés laser, la structure de surface de période induite par laser (LIPSS) peut être ajustée et adaptée à des applications spécifiques en manipulant ses défauts, sa déformation et sa périodicité. Crédit : Reina Miyagawa de l'Institut de technologie de Nagoya

To answer these questions in more depth, a Japanese research collaboration led by scientists from the Nagoya Institute of Technology, has now directly investigated the various parameters that are influenced by laser choice. The work, in collaboration with Osaka University, Tokai University, Kyoto University, and the Japan Atomic Energy Agency (JAEA), was led by Assistant Professor Reina Miyagawa of the Nagoya Institute of Technology, alongside Associate Professor Norimasa Ozaki of Osaka University, and Professor Masaki Hashida of Tokai University, who is also a researcher at Kyoto University. Their findings have been published in the journal Scientific ReportsEstablished in 2011, <em>Scientific Report</em>s is a peer-reviewed open-access scientific mega journal published by Nature Portfolio, covering all areas of the natural sciences. In September 2016, it became the largest journal in the world by number of articles, overtaking <em>PLOS ON</em>E." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Rapports scientifiques.

"Dans notre étude, nous avons choisi le silicium comme substrat, car c'est un matériau utilisé dans de nombreux dispositifs optoélectroniques dans le monde entier, comme les transistors, les téléphones portables et les cellules solaires", explique le Dr Miyagawa.

Les chercheurs ont utilisé deux lasers femtosecondes différents sur le substrat. Dans une expérience, un système laser à titane et saphir (Ti:Sapphire) avec des impulsions de 0,8 µm a été utilisé pour structurer le silicium à des énergies supérieures à l'énergie de la bande interdite. Dans l'autre expérience, les chercheurs ont utilisé un laser à électrons libres à des impulsions dans l'infrarouge moyen de 11,4 µm, ce qui pourrait sonder l'effet à des énergies inférieures à l'énergie de la bande interdite de l'échantillon. L'analyse des échantillons LIPSS a été effectuée à la fois au microscope et au macroscopie. La cristallinité et la pureté microscopiques ont été étudiées à l'aide de la microscopie électronique à transmission (TEM), tandis qu'une analyse plus macroscopique de la déformation et de la stabilité de la structure plus large a été étudiée à l'aide de la diffraction des rayons X à haute énergie synchrotron (XRD).

"Lorsque le laser Ti:Sapphire a été utilisé, le LIPSS observé a conservé la nature hautement cristalline du silicium mais a semblé subir une certaine contrainte résiduelle. En revanche, le LIPSS qui a été formé par le laser à électrons libres dans l'infrarouge moyen a conduit à certains défauts clairement visibles. Cependant, il n'y avait aucune contrainte observable sur le système", ajoute le Dr Miyagawa.

Cette étude constitue le premier rapport sur les observations microscopiques et macroscopiques à haute résolution de la cristallinité dans le LIPSS à l'aide de la diffraction des rayons X à haute énergie synchrotron. Les résultats indiquent comment LIPSS peut être réglé et adapté à des applications spécifiques en manipulant ses défauts, sa déformation et sa périodicité, grâce à un choix approprié de laser. La poursuite des recherches dans ce sens peut ouvrir davantage la voie à l'application généralisée de LIPSS pour parvenir à la fabrication rentable, simple et accessible de surfaces nanostructurées pour des applications dans une large gamme de dispositifs optoélectroniques.

Référence : "Cristallinité dans la surface de nanostructure périodique sur des substrats de silicium induite par une irradiation laser femtoseconde dans l'infrarouge proche et moyen" par Reina Miyagawa, Daisuke Kamibayashi, Hirotaka Nakamura, Masaki Hashida, Heishun Zen, Toshihiro Somekawa, Takeshi Matsuoka, Hiroyuki Ogura, Daisuke Sagae, Yusuke Seto, Takahisa Shobu, Aki Tominaga, Osamu Eryu et Norimasa Ozaki, 5 décembre 2 022, Rapports scientifiques. DOI : 10.1038/s41598-022-25365-1