激光誘導周期表面結構（LIPSS）為微納光電子器件制備帶來了新思路。掌握LIPSS結構的成因對的后期標準化生產至關重要，但傳統實驗觀測困難無法精確闡釋其成形機理。中山大學集成電路學院姚清河教授，上海交通大學張東石長聘副教授和李鑄國教授，聯合RIKEN團隊 ，通過新型實驗手段和仿真模型展示了新型LIPSS結構并揭示了高速漩渦對LIPSS結構和形貌的影響機理，對精準掌握基材的結晶度、潛在的缺陷和應變提供了新的理論依據。相關論文獲得光電期刊集群2023年3月的OEA高被引論文獎。 將傳統的飛秒激光液相加工、飛秒激光液相沖擊和碎裂工藝相結合，本團隊首次實現了基于飛秒激光液相沖擊碎裂微納加工易碎硅材料【Int. J. Extrem. Manuf. 2020, 2, 045001】。在激光功率為700 mW超強沖擊波作用下，平行溝槽碎裂生成如圖1a所示結構，只有部分溝槽沒有被破壞。溝槽上有典型的垂直于激光偏振方向的高頻周期LIPSS結構，周期在100-200 nm之間（圖1b）；在溝槽底部的孔洞呈現如圖1c-f所示的圓形和雙圓形LIPSS結構，是由流體的漩渦和渦流屏蔽（雙漩渦）效應導致的。在小功率（50 mW）情況下，沖擊波能量比較小，平行溝槽未被破壞；溝槽底部有一系列孔洞（圖1g-h），部分呈現漩渦所致螺旋狀結構（圖1i）。在溝槽的邊緣發現了弧狀結構（圖1j），展現漩渦長度從溝槽的上部一直到達其底部，影響所有其覆蓋LIPSS的發展方向。此外，漩渦還會誘導LIPSS方向傾斜（圖1k），使其不再垂直于激光極化方向。僅在溝槽結構的頂部，存在垂直于激光極化方向的LIPSS結構（圖1l）。在量綱分析的基礎上，對單孔洞在垂直和水平交疊的高速流體作用下的微納流動、沖擊行為進行了仿真，驗證漩渦的生成（圖1m）。
圖1 液體漩渦誘導圓形LIPSS形成和理論仿真驗證
新型加工工藝加的壓強可達到MPa級，圖2a-b所示為仿真獲得的漩渦靜態壓強側視圖和俯視圖。超高的壓強作用于側壁會導致平行溝槽碎裂（圖1a），還會導致脆性金屬鎢側壁沿水平方向碎裂（圖2c），在垂直方向留下漩渦的刻蝕痕跡（圖2c）。700 mW功率飛秒激光加工硅的結構側壁也發現了漩渦刻蝕的溝槽（圖2d-f），側壁溝槽結構在頂部和底部有明顯的偏移（圖2d），表明漩渦不是靜態的，而是動態移動的。 改變掃描方向可以獲得不同方向偏移的弧狀側壁溝槽（圖2e），表明改變掃描方向可以改變漩渦的移動方向。改變掃描速度可以調節漩渦的密度，從而改變漩渦刻蝕溝槽的間距（圖2f）。本系列研究表明，漩渦對側壁施加的壓強都會導致嚴重的結構碎裂。 圖2 高壓強漩渦導致的結構碎裂和側壁刻蝕 圖3a展示了激光功率為700 mW、掃描間隔為5 μm條件下高密度碎裂生成的類似山狀結構（圖3a），碎裂表面覆蓋著方向交錯的LIPSS結構（圖3b綠色箭頭所示）。圖3c仿真了類似結構上的流體方向，可以看到結構曲率會引起流體方向改變，從而導致了方向交錯LIPSS結構的形成。實驗結果表明了激光在與物質的作用過程中，在所生成結構的輔助下，會產生超高壓強的漩渦流場和方向不斷變化的流場導致結構碎裂，并能影響LIPSS結構的方向和形貌。 圖3 曲面結構上不同方向流體導致方向交錯LIPSS結構的形成 論文原文：Zhang DS, Li XZ, Fu Y, Yao QH, Li ZG et al. Liquid vortexes and flows induced by femtosecond laser ablation in liquid governing formation of circular and crisscross LIPSS. Opto-Electron Adv 5, 210066 (2022).
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