麥姆斯咨詢獲悉，近日，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所張學軍院士團隊在光學領域知名期刊《Laser & Photonics Reviews》上發表題為"Stress-driven nanoprotrusion formation in amorphous silicon via sub-ablation femtosecond laser irradiation"的研究論文。該工作第一作者為博士生鐘華坤，通訊作者為張志宇研究員。
該研究提出并實驗驗證了一種激光直寫應力誘導納米修形新方法，無需納米級光刻工藝或外延薄膜生長等復雜前置工藝，即可在薄膜表面實現高精度納米級形貌調控。
激光直寫應力誘導下的納米形貌調控
傳統表面形貌調控主要依賴減材去除、增材沉積兩類工藝，存在工藝窗口窄、制備成本高、熱損傷嚴重等短板。區別于上述兩類主流方案，本工作開辟應力驅動等材成形新方法，即在低于燒蝕閾值的亞燒蝕工況下，依靠薄膜固相相變引發殘余應力累積與釋放，最終完成納米修形。加工全程不去除基體材料、也無需沉積物質，僅依托材料內部相變與應力演化，即可精準構筑可控納米表面形貌。
亞燒蝕納米成形：在0.03–0.09J·cm?2的工藝窗口內制備納米表面形貌，低于實驗測得的多脈沖燒蝕閾值（約0.096 J·cm?2）。
納米形貌可調：表面形貌高度覆蓋0.37–121.1nm；在0.06J·cm?2、脈沖重疊數N=5000條件下，可穩定獲得平均約29 nm的連續表面形貌。
非晶硅薄膜表面亞燒蝕激光直寫納米表面形貌
相變積累應力驅動下的納米表面形貌
拉曼光譜顯示，飛秒激光直寫后，非晶硅表層出現520cm?1的晶硅橫向光學聲子峰，表明形成了納米晶硅與非晶硅共存的異質改性層。晶化指數隨能量密度總體由0.32上升至0.45，并在0.07J·cm?2附近出現明顯躍遷。HRTEM/SAED進一步揭示，改性層沿深度方向呈現納米晶層、過渡區、原始非晶硅的分層結構。
在薄膜與基底的橫向約束下，局部相變帶來的體積失配產生GPa量級殘余應力；當應力無法沿面內完全釋放時，體系通過出平面失穩形成納米表面形貌。由此，研究建立了結構改性、應力積累、局域修形的固態納米成形機制。
激光直寫誘導固態相變與納米形貌生成
應力釋放實現納米形貌的“二次放大”
研究團隊進一步采用180℃、2 h的低溫退火（LTA）調控殘余應力。該溫度遠低于非晶硅固相晶化溫度，不會引起大規模再結晶或材料遷移，卻能促進局部結構松弛和應力重新分配。退火后，原有納米表面形貌的橫向輪廓基本保持，高度可進一步放大；其高度增量與殘余應力變化呈半定量一致關系，驗證了應力釋放在形貌演化中的關鍵作用。
低溫退火誘導的應力釋放與納米表面形貌高度放大
可編程納米形貌：兼顧精度與尺度
通過同步控制掃描速度與快門頻率，研究實現了不同周期和形貌的納米表面形貌陣列：最小實驗證實周期約12 μm，另一種矩形陣列周期約200 μm，沿線高度波動約3–6 nm。結合光刻工藝，還制備出毫米尺度“CIOMP”二維圖案，尺寸約10 mm×5 mm，平均表面形貌高度約20 nm，高度變化小于4 nm。結果表明，該方法既能調制局部納米形貌，也具備大面積掃描修形的技術潛力。
飛秒激光誘導納米表面形貌的陣列化與二維圖案化
該研究將激光納米制造的控制變量從“材料去除”拓展到“應力生成與釋放”。由于過程在亞燒蝕、低損傷條件下進行，且可以通過激光能量密度、脈沖累積、掃描軌跡和后續退火分別調節結構高度、周期與形貌，未來有望服務于應變工程與功能界面、光子學與衍射元件、微納電子與集成制造等領域。
據悉，非晶硅薄膜是反應燒結碳化硅反射鏡的表面改性材料。該研究實現非晶硅薄膜亞燒蝕條件下應力可控納米形貌調控，為碳化硅反射鏡表面微納功能化改性開辟新思路，對拓展大口徑碳化硅光學元件應用場景具有參考價值。
本研究得到國家自然科學基金國際(地區)合作與交流項目、國家重點研發計劃課題等的支持。
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http://doi.org/10.1002/lpor.71697
《MEMS產業現狀-2026版》
《光學MEMS產業現狀-2026版》
