长春光机所提出激光直写应力诱导纳米修形新方法

近日，中科院长春光机所张学军院士团队提出并实验验证了一种激光直写应力诱导纳米修形新方法，无需纳米级光刻工艺或外延薄膜生长等复杂前置工艺，即可在薄膜表面实现高精度纳米级形貌调控。相关研究成果以为"Stress-driven nanoprotrusion formation in amorphous silicon via sub-ablation femtosecond laser irradiation"为标题，发表在《Laser & Photonics Reviews》期刊上。

激光直写应力诱导下的纳米形貌调控

传统表面形貌调控主要依赖减材去除、增材沉积两类工艺，存在工艺窗口窄、制备成本高、热损伤严重等短板。区别于上述两类主流方案，本工作开辟应力驱动等材成形新方法，即在低于烧蚀阈值的亚烧蚀工况下，依靠薄膜固相相变引发残余应力累积与释放，最终完成纳米修形。加工全程不去除基体材料、也无需沉积物质，仅依托材料内部相变与应力演化，即可精准构筑可控纳米表面形貌。

亚烧蚀纳米成形：在0.03–0.09J·cm^-2的工艺窗口内制备纳米表面形貌，低于实验测得的多脉冲烧蚀阈值（约0.096 J·cm^-2）。

纳米形貌可调：表面形貌高度覆盖0.37–121.1nm；在0.06J·cm^-2、脉冲重叠数N=5000条件下，可稳定获得平均约29 nm的连续表面形貌。

非晶硅薄膜表面亚烧蚀激光直写纳米表面形貌

相变积累应力驱动下的纳米表面形貌

拉曼光谱显示，飞秒激光直写后，非晶硅表层出现520cm^-1的晶硅横向光学声子峰，表明形成了纳米晶硅与非晶硅共存的异质改性层。晶化指数随能量密度总体由0.32上升至0.45，并在0.07J·cm^-2附近出现明显跃迁。HRTEM/SAED进一步揭示，改性层沿深度方向呈现纳米晶层、过渡区、原始非晶硅的分层结构。

在薄膜与基底的横向约束下，局部相变带来的体积失配产生GPa量级残余应力；当应力无法沿面内完全释放时，体系通过出平面失稳形成纳米表面形貌。由此，研究建立了结构改性、应力积累、局域修形的固态纳米成形机制。

激光直写诱导固态相变与纳米形貌生成

应力释放实现纳米形貌的“二次放大”

研究团队进一步采用180℃、2 h的低温退火（LTA）调控残余应力。该温度远低于非晶硅固相晶化温度，不会引起大规模再结晶或材料迁移，却能促进局部结构松弛和应力重新分配。退火后，原有纳米表面形貌的横向轮廓基本保持，高度可进一步放大；其高度增量与残余应力变化呈半定量一致关系，验证了应力释放在形貌演化中的关键作用。

低温退火诱导的应力释放与纳米表面形貌高度放大

可编程纳米形貌：兼顾精度与尺度

通过同步控制扫描速度与快门频率，研究实现了不同周期和形貌的纳米表面形貌阵列：最小实验证实周期约12 μm，另一种矩形阵列周期约200 μm，沿线高度波动约3–6 nm。结合光刻工艺，还制备出毫米尺度“CIOMP”二维图案，尺寸约10 mm×5 mm，平均表面形貌高度约20 nm，高度变化小于4 nm。结果表明，该方法既能调制局部纳米形貌，也具备大面积扫描修形的技术潜力。

飞秒激光诱导纳米表面形貌的阵列化与二维图案化

该研究将激光纳米制造的控制变量从“材料去除”拓展到“应力生成与释放”。由于过程在亚烧蚀、低损伤条件下进行，且可以通过激光能量密度、脉冲累积、扫描轨迹和后续退火分别调节结构高度、周期与形貌，未来有望服务于应变工程与功能界面、光子学与衍射元件、微纳电子与集成制造等领域。

据悉，非晶硅薄膜是反应烧结碳化硅反射镜的表面改性材料。该研究实现非晶硅薄膜亚烧蚀条件下应力可控纳米形貌调控，为碳化硅反射镜表面微纳功能化改性开辟新思路，对拓展大口径碳化硅光学元件应用场景具有参考价值。

相关内容：http://doi.org/10.1002/lpor.71697