Разработка технологии высокопроизводительной лазерной нанофабрикации метапокрытий и метаповерхностей

В современных технологиях производства солнечных фотоэлементов и тепловых преобразователей, фотодетекторов, оптических дисплеев, приборов и элементов ключевую роль играют различные покрытия - анти-отражающие (просветляющие, полностью поглощающие или антибликовые), обеспечивающие поглощение падающего излучения даже в сверхтонких поверхностных фоточувствительных слоях. В будущих технологиях производства активных и пассивных оптических элементов, медицинских сенсоров, сенсоров, обеспечивающих контроль безопасности объектов ответственного назначения, определяющую будут играть нанотекстурированные покрытия – т.н. метапокрытия или метаповерхности [Kildishev A.V., et.al. Science 339, 1232009(2013), N.Yu, F.Capasso, Nature materials 13, 139 (2014), Rahmani et al., Small 10, 576 (2014)).], обладающие уникальными оптическими, тепловыми, механическими и химическими свойствами, не проявляющимися в обычных «природных» материалах.Формирование таких покрытий, состоящих из специально спроектированных упорядоченных нано- и микромасштабных «строительных» блоков – мета-атомов (плазмонных наноантенн, диэлектрических микрорезонаторов, наноотверстий и т.д.), представляет собой последовательность недешевых, высокотехнологичных процессов, включающих, нанесение пленок и/или резистов, их вакуумную ионную, электронную или фото-литографию, химическую обработку и т.д., очевидно, объясняя тот факт, что практическая реализация таких функциональных метапокрытий и метаповерхностей осуществлена только на уровне единичных лабораторных макетов. В то же время, потенциально более высокопроизводительным способом получения упорядоченных массивов нано- и микроэлементов на поверхности различных материалов является печать острофокусированным лазерным пучком непосредственно в окружающей атмосфере, обеспечивающая бесконтактный, крупномасштабный характер нано- и микрофабрикации, высокую скорость и высокое (субмикронное) пространственное разрешение, достигающееся в частоности при использовании коротких (наносекундных) и ультракоротких (фемто- и пикосекундных) лазерных импульсов (КИ,УКИ), существенно минимизирующих тепловой дрейф в модифицируемом материале. В настоящее время физические механизмы формирования отдельных поверхностных наноэлементов – полых нанопичков, наноострий, наноотверстий, нанократеров - при одноимпульсном воздействии жесткофокусированных КИ и УКИ на тонкие пленки металлов достаточно хорошо известен (в том числе, благодаря экспериментальным исследованиям авторов проекта). Однако, лазерная нанофабрикация больших упорядоченных массивов функциональных наноэлементов (метапокрытий) до сих пор осуществлялась в самом лучшем случае на уровне отдельных лабораторных образцов с размером активной области до 1 см. Вместе с тем, хорошо известны технические возможности, позволяющие на порядки увеличить производительность лазерной нанофабрикации – использование высокой частоты следования лазерных импульсов (от единиц кГц до нескольких МГц), мультиплексирование выходного лазерного пучка на нескольких десятков микропучков за счет использования дифракционных оптических элементов и микролинзовых растров, высокоскоростное прецизионное позиционирование образца (скорость – единицы мм/с) или его сканирование лазером (скорость – десятки м/с). Однако, эти приемы до сих пор были успешно реализованы лишь по отдельности в единичных исследовательских работах. Авторы настоящего проекта предлагают мультидисциплинарное исследование, направленное на поэтапную интеграцию указанных выше технических приемов лазерной фабрикации метаповерхностей с целью реализации ее предельных возможностей и выходом на практическую реализацию – средне- и крупномасштабную печать передовых сенсорных покрытий видимого и ИК диапазона, отдельные наноэлементы которых активно изготавливаются и исследуются авторами в течение нескольких последних лет. Большой опыт сформированного коллектива в области лазерной нанофабрикации отдельных наноэлементов и их небольших упорядоченных массивов, проектировки оптических элементов для мультиплексирования пучков, а также непосредственная заинтересованность в успехе разработки указанной технологии предполагает успешное выполнение задач проекта.