كشف أسرار الهياكل السطحية الدورية التي يسببها الليزر على السيليكون
باستخدام ليزر Ti: Sapphire وليزر منتصف الأشعة تحت الحمراء الخالي من الإلكترون (MIR-FEL) لهيكل السيليكون، أظهر العلماء كيف تختلف بنية السطح الدورية التي يسببها الليزر (LIPSS) اعتمادًا على خصائص الليزر. الائتمان: رينا مياغاوا من معهد ناغويا للتكنولوجيا
حدد الباحثون تأثيرات اختيار الليزر على LIPSS، مما يوفر نظرة ثاقبة لمعايير التصنيع الرئيسية.
تستخدم الأجهزة الإلكترونية والبصرية التي نستخدمها يوميًا، مثل الهواتف المحمولة ومصابيح LED والخلايا الشمسية، الترانزستورات والمكونات الأخرى التي تصبح أصغر حجمًا وأكثر إحكاما باستمرار. مع الحاجة المتزايدة إلى قوة الحوسبة والتخزين وكفاءة الطاقة، سيستمر هذا الاتجاه فقط في التطرف الجديد.
يتطلب إنتاج مثل هذه المكونات الصغيرة للأجهزة الإلكترونية تشكيل وتحضير الهياكل على مقاييس دون ميكرون، تصل إلى مئات المرات أصغر من عرض شعرة الإنسان. لكن الأساليب الحالية للتصنيع النانوي للأسطح تستخدم الليثوغرافيا الضوئية والطباعة الحجرية بالحزمة الإلكترونية – وهي طرق معقدة ومكلفة للغاية ولا يمكن الوصول إليها بشكل عام وتتطلب مستويات عالية من الخبرة.
تم تخصيص هيكل السطح الدوري الناجم عن الليزر (LIPSS) كبديل جديد ومستقبلي لهذه الأساليب. في LIPSS، يتم استخدام ليزر الفيمتو لتوصيل نبضات ليزر فائقة القصر تؤدي تلقائيًا إلى تكوين أنماط دورية على السطح أصغر بكثير من الطول الموجي بالليزر.
من المعلمات المعروفة في LIPSS اختيار الطول الموجي لليزر، والذي يؤثر بشكل مباشر على دورية الهياكل المشكلة. ومع ذلك ظلت المعلمات الأخرى غير معروفة. تشمل الاهتمامات الرئيسية المتعلقة بالاستخدام القياسي لـ LIPSS جودة بنية السطح المشكلة، أي تبلور الركيزة، واحتمالية حدوث عيوب، والانفعال. لإنتاج LIPSS باستمرار بخصائص وخصائص يمكن التحكم فيها لتطبيقات معينة، من الأهمية بمكان فهم مصادر الليزر التي يجب استخدامها لأي حاجة خاصة.
من خلال الاختيار المناسب لخصائص الليزر، يمكن ضبط بنية سطح الفترة المستحثة بالليزر (LIPSS) وتخصيصها لتطبيقات محددة من خلال معالجة عيوبها وإجهادها وتواترها. الائتمان: رينا مياغاوا من معهد ناغويا للتكنولوجيا
للإجابة على هذه الأسئلة بمزيد من التعمق، قام تعاون بحثي ياباني بقيادة علماء من معهد ناغويا للتكنولوجيا، بالتحقيق المباشر في المعلمات المختلفة التي تتأثر باختيار الليزر. قاد العمل، بالتعاون مع جامعة أوساكا، وجامعة توكاي ، وجامعة كيوتو، والوكالة اليابانية للطاقة الذرية (JAEA)، الأستاذ المساعد رينا مياغاوا من معهد ناغويا للتكنولوجيا، جنبًا إلى جنب مع الأستاذ المساعد نوريماسا أوزاكي من جامعة أوساكا، والأستاذ. ماساكي هاشيدا من جامعة توكاي ، وهي أيضًا باحثة في جامعة كيوتو. تم نشر النتائج التي توصلوا إليها في مجلة Scientific Reports .
يوضح الدكتور مياغاوا: “في دراستنا، اخترنا السيليكون كركيزة، لأنه مادة مستخدمة في العديد من الأجهزة الإلكترونية الضوئية في جميع أنحاء العالم، مثل الترانزستورات، والهواتف المحمولة، والخلايا الشمسية”.
استخدم الباحثون نوعين مختلفين من ليزر الفيمتو ثانية على الركيزة. في إحدى التجارب، تم استخدام نظام ليزر من التيتانيوم والياقوت (Ti: Sapphire) بنبضات 0.8 ميكرومتر لبناء السيليكون عند طاقات أعلى من طاقة فجوة النطاق. في التجربة الأخرى، استخدم الباحثون ليزر إلكترون حر في نبضات متوسطة للأشعة تحت الحمراء تبلغ 11.4 ميكرومتر ، والتي يمكن أن تتحقق من التأثير عند طاقات أقل من طاقة فجوة النطاق في العينة. تم تحليل عينات LIPSS مجهريًا وعياديًا. تمت دراسة التبلور المجهري والنقاء باستخدام المجهر الإلكتروني للإرسال (TEM)، في حين تم فحص تحليل مجهري أكثر لسلالة واستقرار الهيكل الأوسع باستخدام حيود الأشعة السينية عالي الطاقة السنكروترون (XRD).
“عندما تم استخدام ليزر Ti: Sapphire ، احتفظ LIPSS المرصود بالطبيعة شديدة التبلور للسيليكون ولكن بدا أنه يتحمل بعض الإجهاد المتبقي. في المقابل، أدى LIPSS الذي تم تشكيله بواسطة ليزر الإلكترون الخالي من الأشعة تحت الحمراء إلى بعض العيوب المرئية بوضوح. ومع ذلك، لم يكن هناك إجهاد يمكن ملاحظته على الإطلاق “، يضيف الدكتور مياغاوا.
تشكل هذه الدراسة التقرير الأول عن الملاحظات عالية الدقة والمجهرية والميكروسكوبية للتبلور في LIPSS باستخدام حيود الأشعة السينية عالي الطاقة السنكروترون. تشير النتائج إلى كيف يمكن ضبط LIPSS وتخصيصه لتطبيقات محددة من خلال معالجة عيوبه وإجهاده وتواتره من خلال الاختيار المناسب لليزر. يمكن أن يفتح البحث المستمر على طول هذه الخطوط الطريق نحو التطبيق الواسع النطاق لـ LIPSS لتحقيق تصنيع فعال من حيث التكلفة وبسيط ويمكن الوصول إليه للأسطح ذات البنية النانوية للتطبيقات في مجموعة واسعة من الأجهزة الإلكترونية الضوئية.
المصدر: scitechdaily
شاهد المزيد:
