Перспективные режимы формирования субволновых лазерно-индуцированных периодических структур фемтосекундным излучением

Структурирование поверхности на микро- и нано масштабе является быстрорастущим направлением науки, привлекающим интерес исследователей из самых разных областей. Такой интерес связан с возможностью получения уникальных оптических, механических, каталитических и других свойств для привычных объектов и материалов. Особенно интенсивно развиваются исследования поверхностных структур в оптике, где естественным параметром, определяющим характер взаимодействия, является длина волны излучения. Создание на поверхности разнообразных паттернов рельефа или химического состава, нанесение упорядоченных или неупорядоченных массивов наночастиц, наносфер, наностержней и т. д., комбинация в структурах металлов, диэлектриков и полупроводников позволяет тонко «настраивать» взаимодействие света с веществом и достигать исключительных явлений, которые находят широкое применение в приложениях сенсорики, обработки сигналов, голографии, создания элементов интегральной оптики и др. Среди подобных приложений биосенсинг представляется актуальным в свете растущей потребности в компактных, массовых и точных устройств биоанализа и диагностики состояния здоровья человека. В данном случае применение структурированных поверхностей приводит к значительному увеличению чувствительности и разрешению (в некоторых случаях – на несколько порядков) таких стандартных методов оптического анализа, как флуоресцентный анализ, спектроскопия комбинационного рассеяния света, сенсоры на основе плазмонного резонанса и др. Несмотря на примечательные свойства структурированных поверхностей, одним из препятствий к их широкому внедрению в практическое использование является трудоемкость и высокая стоимость методов производства структур с необходимыми характеристиками. В настоящее время для создания периодических структур, массивов наночастиц благородных металлов применяются различные литографические методы, требующие дорогостоящего оборудования и длительного времени для получения больших по площади структур. Перспективной альтернативой является формирование термохимических лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур (ТЛИППС) лазерными импульсами фемтосекундной длительности. ТЛИППС, впервые полученные в 2013 г., представляют собой периодическую модуляцию рельефа поверхности металлов и полупроводников с периодом порядка или меньше длины волны, вызванной термохимической модификацией (оксидацией) материала под воздействием излучения. Особенностями ТЛИППС являются одностадийность процесса их формирования в обычных атмосферных условиях, высокая упорядоченность (отклонение по периоду не превышает 1 нм), изменение химического состава и одновременное образование множества параллельных структур в фокальной области, позволяющее структурировать произвольно большие площади поверхности с высокой производительностью путем сканирования образца одним лазерным пучком, что выгодно отличает данный метод от интерференционных методов, где требуется применение несколько пучков с необходимостью точной юстировки. Вследствие относительно недавнего начала активных исследований ТЛИППС остается множество неизученных особенностей их формирования, поиск новых режимов записи, а также возможных применений. Так, до настоящего момента, все исследования включали оксидные ТЛИППС, записанные в атмосфере воздуха. Формирование ТЛИППС в других внешних условиях с образованием, например, нитридов представляет значительный интерес, учитывая более высокую твердость нитридных соединений по сравнению с оксидами и их перспективность для плазмоники. Кроме того, как указано выше, ТЛИППС могут использоваться как инструмент для высокопроизводительного структурирования поверхности благородных металлов в целях повышения характеристик сенсоров, таких как сенсоры на основе плазмонного резонанса. Помимо создания структур на плоских поверхностях, представляет интерес их формирования на криволинейных границах, таких как оптическое волокно, в виду набирающей популярность концепции волоконных многопараметрических сенсоров. Работы по этим темам также не проводились, и демонстрация подобной технологии создания структур позволит расширить спектр возможных применений ТЛИППС, привлечь дополнительный интерес исследовательского сообщества и приблизить практическое внедрение массовых компактных устройств биодетектирования. Таким образом, тематика проекта является актуальной как с точки зрения фундаментальной науки, поскольку ее решение позволит выявить новые режимы взаимодействия лазерного излучения с веществом и, как следствие, новые режимы формирования термохимических ЛИППС, понять глубже механизмы их формирования, так и с точки зрения прикладных задач, поскольку это позволит создать новые методы и подходы к формированию высокоупорядоченных наноструктур из различных материалов (металл/оксид, металл/нитрид металла, полупроводник/диэлектрик), что откроет перспективы для различных практических применений в области нанофотоники, сенсорики, трибологии и фотовольтаике. Кроме того, в проекте планируется исследовать применение ТЛИППС для создания периодических модуляций рельефа на пленках благородных металлов, в том числе и на поверхности оптических волокон, что позволит улучшить характеристики сенсорных систем на основе поверхностного плазмонного резонанса.