Сотрудниками Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) в сотрудничестве с физиками из МГУ, БелГУ и ИОФ РАН были получены регулярные одномерные наноструктуры с периодом до 90 нм. Для этого физики использовали метод многоимпульсного воздействия фемтосекундным лазерным излучением на поверхность твердого материала (в воздухе или жидкости).

Сверхкороткая длительность фемтосекундного лазерного импульса позволяет при его внешней фокусировке создать весьма высокую локальную (во времени и пространстве) интенсивность воздействия светового излучения на вещество. Условно можно сказать, что фемтосекундный лазерный импульс в невообразимо малом промежутке времени реализует действие на вещество лазерного меча Люка Скайуокера из известной космическй киносаги «Звездные войны». Результат понятен – вещество твердой мишени удаляется и последняя постепенно разрушается в ходе процесса, который называется «лазерной абляцией». Однако за это время подвергнутая воздействию излучения мишень успевает разрушиться лишь незначительно, а сам процесс разрушения может играть созидательную роль. Группой ученых под руководством заведующего лабораторией газовых лазеров Отделения КРФ ФИАН доктора физ.-мат. наук Андрея Ионина путем многоимпульсного фемтосекундного лазерного облучения поверхности твердых материалов были получены поверхностные структуры с периодом в несколько раз меньше длины волны излучения.

Раньше в однолучевых схемах записи поверхностных нанорешеток с помощью наносекундных лазеров, где основным является тепловое воздействие, получались структуры с периодом порядка длины волны лазерного излучения – это субмикронные масштабы. Позднее, с использованием фемтосекундных импульсов, были получены регулярные одномерные наноструктуры с субволновыми, но все-таки субмикронными периодами (то есть более 100 нм). И только при осуществлении процесса в жидкости нам впервые удалось преодолеть этот 100-нанометровый «психологический» барьер, разделяющий сферы нано- и микротехнологий. При этом длина волны лазерного излучения в нашей работе была в 8 раз больше периода получившихся наноструктур, – рассказывает старший научный сотрудник ФИАН кандидат физ.-мат. наук Сергей Кудряшов.

Минимально возможные периодические наноструктуры сейчас получают путем молекулярно-атомарной сборки, – продолжает он, – но для того, чтобы выстроить этим способом сколь-либо большую, даже с точки зрения наноразмеров, структуру, нужно потратить колоссальное время. А с помощью фемтосекундного лазера за несколько часов, а в некоторых случаях даже минут, можно записать на поверхности твердого материала наноструктурированный участок миллиметровых размеров, достаточных для исследований различными физико-химическими методами"

Основная работа в рамках данного проекта осуществляется в ФИАНе. В работе участвуют к.ф.-м.н. Л.В. Селезнев, к.ф.-м.н. Д.В. Синицын, а также студенты С.В. Макаров (МИФИ) и А.Р. Шарипов (МФТИ). Эксперименты проводятся с помощью специально изготовленной для лаборатории компанией-резидентом Троицкого технопарка ФИАН («Авеста-Проект») лазерной установки «Старт-248М». Сотрудники ФИАН и ИОФ РАН (соответственно – д.ф.-м.н. Ю.Н. Новоселов и д.ф.-м.н. А.Е. Лигачев) проводят научно-консультативную работу и осуществляют координацию со специалистами в области материаловедения из БелГУ (д.ф.-м.н. Ю.Р. Колобов и к.ф.-м.н. Е.В. Голосов), а д.ф.-м.н. В.И. Емельянов из МГУ работает над теоретической моделью механизма фемтосекундного лазерного наноструктурирования.

Используемая в работе лазерная установкая «Старт-248М» (снята с двух сторон)

Периодические наноструктуры уже получены на титане, кремнии и алюминии. В настоящий момент они активно изучаются на предмет выявления общих закономерностей наблюдаемого эффекта для каждого из материалов. Но особенно интересным для изучения оказался механизм образования наноструктур на поверхности титана: структуры получаются все более мелкими при увеличении плотности энергии фемтосекундного лазерного импульса на поверхности металла. Этот факт весьма любопытен, так как тенденция, наблюдаемая обычно, прямо противоположна.

Обычно для того, чтобы получать более мелкие структуры, поверхностную плотность энергии необходимо уменьшать. Однако при совсем маленьких плотностях энергии интенсивность процессов переноса вещества замедляется, поэтому создание наноструктур требует увеличения времени облучения, что, в свою очередь, влечет за собой возможное удорожание технологии. Таким образом, процесс образования наноструктур со все меньшим и меньшим периодом значительно усложняется. Но только не для титана – получать структуры с меньшим периодом для него оказалось легче, – комментирует Сергей Кудряшов.

Записанные путем фемтосекундного лазерного облучения периодические наноструктуры (снимки получены с помощью сканирующего электронного микроскопа, масштаб – 1 мкм): 1 – периодические наноструктуры на сухой поверхности титана, 2 – наноструктуры на влажной поверхности титана, 3,4 – наноструктуры на сухой поверхности кремния.

Уменьшение периода образующихся наноструктур при увеличении плотности энергии фемтосекундного лазерного излучения на сухой поверхности титана (а при записи наноструктур в воде их период для титана оказывается еще меньше – около 90 нм) представляет значительный интерес для дальнейших исследований. Это связано с тем, что титан является одним из базовых материалов аэрокосмической техники и медицинских имплантов, и наномодификация его поверхности может не только существенно изменить его известные свойства, но и, возможно, придать ему новые, необычные свойства.