Desbloqueando los secretos del láser

Por Nagoya Institute of Technology14 de enero de 2023

Mediante el uso de un láser Ti:Sapphire y un láser de electrones libres de infrarrojo medio (MIR-FEL) para estructurar el silicio, los científicos han demostrado cómo la estructura de superficie periódica inducida por láser (LIPSS) varía según las propiedades del láser. Crédito: Reina Miyagawa del Instituto de Tecnología de Nagoya

Los investigadores han identificado los efectos de la elección del láser en LIPSS, proporcionando información sobre los parámetros clave de fabricación.

Los dispositivos electrónicos y ópticos que usamos a diario, como teléfonos móviles, LED y células solares, utilizan transistores y otros componentes que son cada vez más pequeños y compactos. Con una necesidad cada vez mayor de poder de cómputo, almacenamiento y eficiencia energética, esta tendencia solo continuará hacia nuevos extremos.

La producción de componentes tan pequeños para dispositivos electrónicos requiere el mecanizado y la preparación de estructuras en escalas submicrónicas, hasta cientos de veces más pequeñas que el ancho de un cabello humano. Pero los métodos actuales para la nanofabricación de superficies utilizan fotolitografía y litografía por haz de electrones, métodos que son complicados, extremadamente costosos, generalmente inaccesibles y requieren altos niveles de experiencia.

La estructura de superficie periódica inducida por láser (LIPSS) se ha designado como una alternativa novedosa y prospectiva a estos métodos. En LIPSS, los láseres de femtosegundos se utilizan para emitir pulsos de láser ultracortos que conducen espontáneamente a la formación de patrones periódicos en la superficie que son mucho más pequeños que la longitud de onda del láser.

Un parámetro bien conocido en LIPSS es la elección de la longitud de onda del láser, que afecta directamente a la periodicidad de las estructuras formadas. Sin embargo, otros parámetros han permanecido desconocidos. Las principales preocupaciones con respecto al uso estandarizado de LIPSS incluyen la calidad de la estructura de la superficie formada, es decir, la cristalinidad del sustrato, la posibilidad de defectos y la tensión. Para producir LIPSS de manera consistente con propiedades y características controlables para aplicaciones específicas, es fundamental comprender qué fuentes de láser se deben usar para cada necesidad en particular.

A través de una elección adecuada de las propiedades del láser, la estructura de la superficie del período inducido por láser (LIPSS) se puede ajustar y adaptar para aplicaciones específicas mediante la manipulación de sus defectos, tensión y periodicidad. Crédito: Reina Miyagawa del Instituto de Tecnología 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"}]">Informes científicos.

"En nuestro estudio, elegimos el silicio como sustrato, ya que es un material utilizado en muchos dispositivos optoelectrónicos en todo el mundo, como transistores, teléfonos móviles y células solares", explica el Dr. Miyagawa.

Los investigadores utilizaron dos láseres de femtosegundo diferentes en el sustrato. En un experimento, se utilizó un sistema láser de titanio y zafiro (Ti:Sapphire) con pulsos de 0,8 µm para estructurar el silicio a energías superiores a la energía de banda prohibida. En el otro experimento, los investigadores utilizaron un láser de electrones libres en pulsos de infrarrojo medio de 11,4 µm, lo que podría probar el efecto a energías inferiores a la energía de banda prohibida de la muestra. El análisis de las muestras LIPSS se realizó tanto microscópica como macroscópicamente. La cristalinidad microscópica y la pureza se estudiaron mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM), mientras que se investigó un análisis más macroscópico de la tensión y la estabilidad de la estructura más amplia mediante difracción de rayos X de alta energía (XRD) de sincrotrón.

"Cuando se usó el láser Ti:Sapphire, el LIPSS observado retuvo la naturaleza altamente cristalina del silicio, pero pareció asumir cierta tensión residual. Por el contrario, el LIPSS que se formó con el láser de electrones libres del infrarrojo medio condujo a algunos defectos claramente visibles. Sin embargo, no hubo ninguna tensión observable en el sistema", agrega el Dr. Miyagawa.

Este estudio constituye el primer informe sobre las observaciones microscópicas y macroscópicas de alta resolución de la cristalinidad en LIPSS utilizando difracción de rayos X de alta energía sincrotrón. Los hallazgos indican cómo se puede ajustar y adaptar LIPSS para aplicaciones específicas mediante la manipulación de sus defectos, tensión y periodicidad, a través de una elección adecuada del láser. La investigación continua en este sentido puede abrir aún más el camino hacia la aplicación generalizada de LIPSS para lograr la fabricación rentable, simple y accesible de superficies nanoestructuradas para aplicaciones en una amplia gama de dispositivos optoelectrónicos.

Referencia: "Cristalinidad en la superficie periódica de nanoestructuras en sustratos de Si inducida por irradiación láser de femtosegundos de infrarrojo cercano y medio" por 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 y Norimasa Ozaki, 5 de diciembre de 2022, Scientific Reports.DOI: 10.1038/s41598-022-25365-1