Сотрудники отдела поисковых ростовых технологий Института кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН и отдела лазерной атомно-молекулярной технологии Института фотонных технологий РАН разработали методику эффективного и хорошо контролируемого микроструктурирования сапфира с использованием термоплазмонного лазерного жидкостного травления.
Разработанная технология позволяет формировать микрорельеф на подложках сапфира с заданными параметрами без трудоемких и затратных методов ионного травления или фотолитографии.
Одним из перспективных и быстроразвивающихся подходов формирования микроструктур на поверхности оптически прозрачных материалов является разработанное японскими исследователями индуцированное лазером травление в жидкости задней поверхности прозрачных материалов (laser-induced backside wet etching – LIBWE). При реализации этого процесса высокоинтенсивное лазерное излучение фокусируется на заднюю поверхность прозрачного образца, которая находится в кювете, заполненной сильнопоглощающей жидкостью. В области фокусировки, на границе твердое тело-жидкость происходят многочисленные процессы (нелинейное поглощение, поглощение на дефектах, термические, гидродинамические и фотохимические процессы, формирование сверхкритической среды, формирование и схлопывание пузырьков, плавление, испарение и пр.), которые приводят к удалению материала образца.
Для повышения эффективности LIBWE-микроструктурирования сотрудниками ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН предложено использовать в качестве поглощающих сред прекурсоры благородных металлов, в частности, серебра. При облучении раствора нитрата серебра интенсивным лазерным излучением запускается механизм восстановления прекурсора до наночастиц серебра. При этом «затравочные», первые импульсы воздействующего лазерного излучения формируют центры дополнительного «плазмонного» поглощения, процесс лавинообразно развивается и уже через некоторое время на границе с обрабатываемым образцом формируется область с большой плотностью плазмонных наночастиц, в которой лазерное излучение практически полностью поглощается. Подобный сильно локализованный источник тепла с большим энерговыделением на интерфейсе твердое тело-жидкость запускает термические и гидродинамические процессы, которые приводят к абляции материала образца.
Рис. 1. Схема технологического процесса (1 – лазерный пучок, 2 – объектив, 3 – сапфировая пластинка, 4 – область травления, 5 – плазменный выброс, 6 – распространяющиеся ударные волны и разлетающиеся наночастицы, 7 – рабочая жидкость, 8 – разборная кювета) и изображения полученных с его помощью конуса и каналов (3D оптический микроскоп).
Рис. 2. 3D изображение фрагмента биоподложки, изготовленной из сапфировой пластинки, и микроскопические изображения биоподложки и культуры мышиных фибробластов, выращенных на подложке и окрашенных флуоресцирующим красителем.
Разработанная технология с успехом использована для микроструктурирования такого перспективного оптического материала как сапфир. Высокая оптическая однородность и прозрачность сапфира в широком диапазоне длин волн, малые остаточные напряжения, радиационная стойкость сочетаются с хорошими механическими, термоокислительными и диэлектрическими свойствами, обеспечивающими работу сапфировых изделий в условиях высоких температур, давлений, в контакте с агрессивными средами. В то же время, обработка сапфира (механическая, ультразвуковая, химическая) представляет собой достаточно сложную задачу из-за его высокой твердости и химической стойкости.
Технология лазерно-индуцированного термоплазмонного микроструктурирования сапфира с успехом решает задачи микрообработки сапфира и может быть использована для создания подложек для светоизлучающих структур, антиотражающих покрытий для излучения дальнего ИК диапазона и других структур для микроэлектроники, фотоники, микрофлюидики. В качестве первого примера возможных применений сотрудниками ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН были созданы структурированные биоподложки для изучения направленного роста клеток биологических тканей.
Публикации:
1. Tsvetkov M.Yu., Yusupov V.I., Minaev N.V., Timashev P.S., Golant K.M., Bagratashvili V.N. Effects of thermo-plasmonics on laser-induced backside wet etching of silicate glass. // Laser Physics Letters, 2016, V. 13, 106001.
2. М.Ю. Цветков, Н.В. Минаев, А.А. Акованцева, Г.И. Пудовкина, П.С. Тимашев, С.И. Цыпина, В.И. Юсупов, А.Э. Муслимов, А.В. Буташин, В.М. Каневский, В.Н. Баграташвили. Травление сапфира в сверхкритической воде при ультравысоких температурах и давлениях в условиях импульсной лазерной термоплазмоники. // Сверхкритические флюиды: теория и практика, 2017, Т. 12, № 2, С. 68-79.
3. М.Ю. Цветков, Н.В. Минаев, А.А. Акованцева, П.С. Тимашев, А.Э. Муслимов, В.М. Каневский. Термоплазмонное лазерно-индуцированное жидкостное травление сапфира. // Квантовая электроника, 2019, Т. 49, № 2, С. 133-140.