​通过使用Ti:Sapphire激光器和中红外自由电子激光器（MIR-FEL）来构造硅，科学家们证明了激光诱导的周期性表面结构（LIPSS）是如何因激光特性而变化的。资料来源：名古屋工业大学的Reina Miyagawa

我们日常使用的电子和光学设备，如移动电话、LED和太阳能电池，使用的晶体管和其他部件不断变得更小、更紧凑。随着对计算能力、存储和能源效率的需求不断增长，这种趋势只会继续发展到新的极致。

为电子设备生产如此小的部件需要加工和制备亚微米尺度的结构，最多可以比人类头发的宽度小数百倍。但目前的纳米表面加工方法使用的是光刻和电子束光刻--这些方法复杂、极其昂贵，通常无法进入，而且需要高水平的专业知识。

激光诱导的周期性表面结构（LIPSS）已被指定为这些方法的一个新的和有前景的替代品。在LIPSS中，飞秒激光器被用来提供超短的激光脉冲，从而在表面上自发地形成比激光波长小得多的周期性图案。

LIPSS中一个众所周知的参数是激光波长的选择，它直接影响到所形成结构的周期性。然而，其他参数仍未被研究。关于LIPSS的标准化使用的主要问题包括形成的表面结构的质量，即衬底的结晶度、潜在的缺陷和应变。为了始终如一地生产出具有可控性能和特点的LIPSS，用于特定的应用，关键是要了解哪种激光源应该用于哪种特定的需求。

为了更深入地回答这些问题，一个由名古屋工业大学的科学家领导的日本研究合作，现在已经直接调查了受激光选择影响的各种参数。这项工作与大阪大学、东海大学、京都大学和日本原子能机构（JAEA）合作，由名古屋工业大学的Reina Miyagawa助理教授领导，同时还有大阪大学的Norimasa Ozaki副教授和东海大学的Masaki Hashida教授，后者也是京都大学的一名研究员。他们的研究结果已经发表在《科学报告》上。

宫川博士解释说："在我们的研究中，我们选择了硅作为基底，因为它是世界上许多光电设备中使用的材料，如晶体管、移动电话和太阳能电池，"。

研究人员在基底上使用了两种不同的飞秒激光器。在一个实验中，一个脉冲为0.8微米的钛和蓝宝石（Ti:Sapphire）激光系统被用来在高于带隙能量的能量下构造硅。在另一个实验中，研究人员使用了一个中红外脉冲为11.4微米的自由电子激光器，这可以在低于样品带隙能量的能量下探测效果。

对LIPSS样品的分析是在显微镜和宏观上进行的。使用透射电子显微镜（TEM）研究了微观的结晶度和纯度，而使用同步辐射高能X射线衍射（XRD）研究了更宏观的应变和广义结构的稳定性分析。

"当使用Ti:Sapphire激光时，观察到的LIPSS保留了硅的高度结晶性，但似乎承担了一些残余的应变。相反，由中红外自由电子激光器形成的LIPSS导致了一些明显可见的缺陷。然而，该系统没有任何可观察到的应变，"宫川博士补充说。

这项研究构成了第一份关于使用同步辐射高能X射线衍射法对LIPSS的结晶性进行高分辨率、微观和宏观观察的报告。研究结果表明，LIPSS如何通过适当的激光器选择来操纵其缺陷、应变和周期性，从而为特定的应用进行调整和定制。

沿着这些思路继续研究，可以为LIPSS的广泛应用开辟道路，以实现低成本、简单和可获得的纳米结构表面的制造，从而应用于广泛的光电设备。

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