Формирование лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур на пленках металлов и полупроводников

Цель диссертационной работы состояла в исследовании особенностей формирования упорядоченных термохимических и абляционных лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур (ЛИППС) с помощью фемтосекундного лазерного излучения на пленках металлов и полупроводников, а также в поиске оптимальных режимов с точки зрения производительности записи и упорядоченности структур. Задачи работы: 1. Сформировать ЛИППС на пленках металлов (Cr, Hf, Ti) и полупроводника (Si) различной толщины при различных параметрах излучения, записи и внешних условиях. 2. Провести всестороннее исследование морфологии полученных ЛИППС, их химического состава, внутренней структуры. Выполнить численные расчеты для объяснения ряда наблюдаемых зависимостей. 3. Продемонстрировать возможности применения метода лазерного структурирования поверхности в практических приложениях. Были сформированы и исследованы термохимические лазерно-индуцированные поверхностные периодические структуры (ТЛИППС) на пленках металлов (Cr, Hf, Ti). Обнаруженная зависимость периода ТЛИППС от толщины пленки в случае Cr может быть объяснена выявленным изменением относительного содержания оксидов CrO2/Cr2O3 в сформированных выступах структур, что подтверждается результатами численного моделирования. В связи с эффектом диссипации тепла в пленке Cr снижение частоты следования импульсов приводит к ухудшению упорядоченности ТЛИППС. Использование астигматического гауссова пучка позволяет увеличить производительность записи структур на 2 порядка по сравнению с гауссовым пучком круглого сечения. Благодаря более низкой теплоемкости и теплопроводности Hf на данном металле возможно формирование ТЛИППС с на порядок большей скоростью (2 мм/с), по сравнению с Cr. Обнаруженная линейная зависимость периода ТЛИППС, сформированных на пленке Ti, от длины волны лазерного излучения имеет электромагнитную природу, что подтверждается результатами численного моделирования. Запись в различных газовых средах (воздух, вакуум, азот) приводит к изменению морфологии образующихся структур, а также к образованию ТЛИППС с комплексным составом TiO2/TiN в случае азотной среды. Были сформированы и исследованы ЛИППС на поверхности полупроводника (Si). На пленке аморфного Si получены ТЛИППС, состоящие из оксидных микроконусов с гексагональной периодичностью и подповерхностных периодических включений поликристаллической фазы. Запись таких ТЛИППС существенным образом изменяет оптические свойства исходной пленки а-Si, а также позволяет использовать структурированную поверхность для повышения чувствительности в методе флуоресцентного анализа. Облучение фс лазерными импульсами пленки а-Si при высокой скорости сканирования (1 мм/с) приводит к равномерной кристаллизации с минимальным изменением шероховатости поверхности, что может быть перспективным для получения поликристаллического кремния на полимерных подложках. Наблюдается формирование разнообразных типов ЛИППС на тонкой пленке Hf, напыленной на с-Si, в зависимости от параметров лазерного облучения (энергия импульса, скорость сканирования): наблюдаются как термохимические, так и абляционные ЛИППС с различным периодом. Использование азотной атмосферы позволяет снизить эффективность окисления и получить бездефектные субволновые абляционные ЛИППС с высоким аспектным соотношением, равным 8.