DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-025-02091-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41672975
تاريخ النشر: 2026-02-11
المؤلف: Jingbo Yin وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات معالجة المواد بالليزر
نظرة عامة
في الدراسات الحديثة، ظهرت الليزر فائقة السرعة كأدوات محورية في تصنيع النانو على السطح، ومع ذلك، غالبًا ما تعيق فعاليتها الاعتماد على الاستقطاب، مما يؤثر على دقة المعالجة. تقدم هذه البحث اختراقًا في تحقيق هيكلة نانوية على السطح غير المعتمدة على الاستقطاب على أفلام Sb\(_2\)S\(_3\) الرقيقة من خلال إشعاع الليزر الفيمتوثانية الم facilitated بواسطة ميكروسفير في الهواء المحيط. يُعزى تشكيل الأخاديد النانوية إلى الضغط الحراري الناتج عن عمليات الانصهار، وإعادة التصلب، والتبريد الفائق تحت تعرض الليزر بمعدل تكرار مرتفع.
تحلل الدراسة أيضًا كيف تؤثر عمليات الانصهار والتبخر للمواد على توزيع المجال الكهربائي أثناء معالجة الليزر. من الجدير بالذكر أنه في الحالة المنصهرة، وُجد أن توزيع المجال الكهربائي مستقل عن الاستقطاب، مما يسمح بمعالجة نانوية فعالة غير معتمدة على الاستقطاب مدفوعة بالضغط الحراري الناتج عن تدرج درجة الحرارة. يُظهر الباحثون أن أحجام الميزات للهياكل النانوية الناتجة يمكن ضبطها بدقة عن طريق تعديل شدة الليزر، محققين حجمًا أدنى يبلغ حوالي 38 نانومتر (λ/27). تقدم هذه التقنية المبتكرة، التي تعمل في المجال البعيد وفي الهواء المحيط، إمكانات كبيرة لتقدم تقنيات تصنيع النانو من الجيل التالي.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث التقدم في تصنيع النانو، مع التركيز على تطبيقاته في علوم المواد، والنانوفوتونيات، والنانوبيو تكنولوجيا. تقدم الطرق التقليدية مثل الطباعة الحجرية باستخدام شعاع الإلكترون وحفر شعاع الأيونات المركزة دقة عالية جدًا ولكنها تكافح لتلبية الطلب المتزايد على الهياكل النانوية ذات المساحات الكبيرة. لمواجهة ذلك، ظهرت الليزر فائقة السرعة كتقنية معالجة غير تلامسية متعددة الاستخدامات، على الرغم من أن فعاليتها محدودة بسبب الانكسار الضوئي وقيود تقنيات المعالجة في المجال القريب والبعيد.
تسلط الورقة الضوء على التحديات المرتبطة بتصنيع النانو بالليزر، وخاصة التفاعلات الديناميكية بين ضوء الليزر والمواد، والتي يمكن أن تعطل توزيع المجال الكهربائي وتؤثر على نتائج المعالجة. يشير المؤلفون إلى أن الاعتماد على الاستقطاب في تصنيع النانو بالليزر يعقد إنشاء الهياكل النانوية المستمرة. للتغلب على هذه القضايا، تقدم الدراسة طريقة لتحقيق هيكلة نانوية غير معتمدة على الاستقطاب بحجم أقل من 50 نانومتر على أفلام Sb\(_2\)S\(_3\) الرقيقة باستخدام إشعاع الليزر الفيمتوثانية المدمج مع ميكروسفير غير تلامسي. من خلال الحفاظ على المادة في حالة منصهرة، نجح الباحثون في التخفيف من آثار ضعف المجال الكهربائي، مما يمكّن من تشكيل أخاديد نانوية قوية بأحجام ميزات صغيرة تصل إلى 38 نانومتر، مما يظهر إمكانات كبيرة للتطبيقات المستقبلية في تصنيع النانو.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام ليزر فيمتوثانية (HR-Sci-fs-3 + SHG، HUARAY، الصين) ينبعث منه نبضات مدتها 250 فيمتوثانية عند طول موجي قدره 1030 نانومتر ومعدل تكرار قدره 45 ميغاهرتز للتحقيق في نفاثات النانو الضوئية (PNJ) الناتجة عن ميكروسفير. يتم محاذاة الميكروسفير، الذي يبلغ قطره 50 ميكرومتر، بدقة مع نظام الليزر باستخدام مرحلة ميكرو ثلاثية الأبعاد بدقة 1 ميكرومتر. يتم تركيز شعاع الليزر على الميكروسفير من خلال عدسة موضوعية 10× (NA = 0.25)، مما يسهل توليد PNJ. يتكون العينة التجريبية من فيلم Sb₂S₃ غير المتبلور بسمك 50 نانومتر تم ترسيبه على ركيزة سيليكون عبر الترسيب بالرش الترددي عند درجة حرارة الغرفة، بقوة 30 واط وضغط أساسي قدره 5 × 10⁻⁹ تور.
لتحليل PNJ وتوزيع المجال الكهربائي أثناء معالجة الليزر، تم إجراء محاكاة باستخدام برنامج Lumerical Solutions بناءً على طريقة فرق النهاية الزمنية (FDTD). يتم توصيف مورفولوجيا السطح للعينات باستخدام مجهر إلكتروني مس扫描 (SEM، SUPRA55 SAPPHIRE، CARL ZEISS، ألمانيا)، بينما يتم إجراء توصيف مورفولوجي ثلاثي الأبعاد وتحليلات للملف العرضي باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM؛ CYPHER S، ASYLUM RESEARCH، إنجلترا). تتيح هذه المنهجية الشاملة تحقيق تحقيقات مفصلة حول التفاعلات بين الليزر والميكروسفير، بالإضافة إلى التعديلات الناتجة في المواد.
النتائج
يقدم قسم النتائج النتائج المتعلقة بالهيكلة النانوية غير المعتمدة على الاستقطاب لأفلام Sb$_2$S$_3$ الرقيقة باستخدام إشعاع الليزر الفيمتوثانية من خلال ميكروسفير في الهواء المحيط. توضح الشكل 1a أن استخدام ميكروسفير بقطر 50 ميكرومتر ومعامل انكسار قدره 1.5 يحسن التوازن بين العرض الكامل عند نصف الحد الأقصى (FWHM) والمسافة العاملة (WD) للنفاث الضوئي الناتج (PNJ). الطول البؤري المحقق هو حوالي 31.5 ميكرومتر، مع WD المقابل بحوالي 6.5 ميكرومتر وFWHM بحوالي 920 نانومتر، مما يشير إلى التشغيل في المجال البصري البعيد.
تحليل إضافي، كما هو موضح في الأشكال 1b و1c، يكشف أن إشعاع الليزر الفيمتوثانية بمعدل تكرار مرتفع عند شدة 0.14 مللي جول سم$^{-2}$ وسرعة مسح قدرها 150 ميكرومتر في الثانية ينتج خطوط نانوية متجانسة غير معتمدة على استقطاب الليزر. تشير قياسات AFM إلى أن الحجم المميز للأخاديد النانوية يبقى ثابتًا عبر زوايا الاستقطاب المختلفة، مع قيم FWHM تتراوح بين 50 إلى 60 نانومتر. تتناقض هذه القوة ضد الاستقطاب مع طرق معالجة النانو بالليزر التقليدية، مما يبرز أهمية تأثيرات الحضانة الحرارية الملحوظة وظواهر الامتصاص غير الخطية في تشكيل هذه الهياكل النانوية.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون الآليات الكامنة وراء تشكيل الهياكل النانوية غير المعتمدة على الاستقطاب على أفلام Sb₂S₃ الرقيقة من خلال إشعاع الليزر الفيمتوثانية. من الملاحظ أن إنشاء خطوط نانوية بحجم أقل من 50 نانومتر، تم تحقيقه عند شدة ليزر قدرها 0.12 مللي جول سم⁻² وسرعة مسح قدرها 150 ميكرومتر في الثانية، يظهر تجانسًا هيكليًا عاليًا ودقة تتجاوز حد الانكسار. يُعزى تشكيل هذه الأخاديد النانوية بشكل أساسي إلى الضغط الحراري السطحي أثناء عمليات الانصهار، وإعادة التصلب، والتبريد الفائق الناتجة عن نبضات الليزر عالية التكرار. يبرز المؤلفون أهمية الحفاظ على المادة في حالة منصهرة، مما يخفف من الضعف الديناميكي للمجال الكهربائي الذي يعقد عادةً المعالجة المعتمدة على الاستقطاب.
توضح الدراسة أيضًا أن أحجام ميزات الهياكل النانوية يمكن ضبطها بدقة عن طريق تعديل شدة الليزر، مع تحقيق حجم أدنى يبلغ حوالي 38 نانومتر. تسمح هذه الطريقة غير المعتمدة على الاستقطاب بتحقيق هيكلة نانوية متسقة بغض النظر عن اتجاه استقطاب الليزر، كما تؤكده التجارب التي تظهر أحجام ميزات مماثلة عبر اتجاهات مختلفة. يقترح المؤلفون أن الاستراتيجية تحمل وعدًا لتطبيقات صناعية قابلة للتوسع في تصنيع النانو، مع إمكانية تحسين دقة المعالجة من خلال استخدام أطوال موجية أقصر من الليزر وميكروسفير أصغر. يتم اقتراح العمل المستقبلي لاستكشاف قابلية تطبيق هذه التقنية على مواد أخرى، مما يوسع تأثيرها في مجال تكنولوجيا النانو.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-025-02091-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41672975
Publication Date: 2026-02-11
Author(s): Jingbo Yin et al.
Primary Topic: Laser Material Processing Techniques
Overview
In recent studies, ultrafast lasers have emerged as pivotal tools in surface nanofabrication, yet their effectiveness is often hindered by polarization dependence, which affects machining precision. This research presents a breakthrough in achieving polarization-independent surface nanostructuring on Sb\(_2\)S\(_3\) thin films through femtosecond laser irradiation facilitated by a microsphere in ambient air. The formation of nanogrooves is attributed to thermal stress resulting from the processes of melting, re-solidification, and super-cooling under high-repetition-rate laser exposure.
The study further analyzes how the melting and ablation of materials influence the electric field distribution during laser processing. Notably, in the molten state, the electric field distribution is found to be independent of polarization, allowing for effective polarization-independent nanoprocessing driven by thermal stress from a temperature gradient. The researchers demonstrate that the feature sizes of the resulting surface nanostructures can be finely tuned by adjusting the laser fluence, achieving a minimum size of approximately 38 nm (λ/27). This innovative technique, operating in the far field and ambient air, presents significant potential for advancing next-generation nanofabrication technologies.
Introduction
The introduction of the research paper discusses advancements in nanofabrication, emphasizing its applications in materials science, nanophotonics, and nanobiotechnology. Traditional methods such as electron beam lithography and focused ion beam etching offer ultra-high resolution but struggle to meet the growing demand for large-area nanostructures. To address this, ultrafast lasers have emerged as a versatile non-contact processing technology, although their effectiveness is limited by optical diffraction and the constraints of near-field and far-field processing techniques.
The paper highlights the challenges associated with laser nanofabrication, particularly the dynamic interactions between laser light and materials, which can disrupt the electric field distribution and affect processing outcomes. The authors note that the polarization dependence of laser nanofabrication complicates the creation of continuous nanostructures. To overcome these issues, the study presents a method for achieving polarization-independent sub-50 nm structuring on Sb\(_2\)S\(_3\) thin films using femtosecond laser irradiation combined with a non-contact microsphere. By maintaining the material in a molten state, the researchers successfully mitigate the effects of electric field weakening, enabling robust nanogroove formation with feature sizes as small as 38 nm, thus demonstrating significant potential for future applications in nanofabrication.
Methods
In this study, a femtosecond laser (HR-Sci-fs-3 + SHG, HUARAY, China) emitting 250 fs pulses at a wavelength of 1030 nm and a repetition rate of 45 MHz is utilized to investigate photonic nanojets (PNJ) generated by a microsphere. The microsphere, with a diameter of 50 μm, is precisely aligned with the laser system using a three-dimensional translation microstage with a resolution of 1 μm. The laser beam is focused onto the microsphere through a 10× objective lens (NA = 0.25), which facilitates the generation of PNJ. The experimental sample consists of a 50 nm thick amorphous Sb₂S₃ film deposited on a silicon substrate via radio frequency sputtering at room temperature, with a power of 30 W and a base pressure of 5 × 10⁻⁹ Torr.
To analyze the PNJ and the electric field distribution during laser processing, simulations are conducted using Lumerical Solutions software based on the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method. The surface morphology of the samples is characterized using a scanning electron microscope (SEM, SUPRA55 SAPPHIRE, CARL ZEISS, Germany), while three-dimensional morphological characterization and cross-sectional profile analyses are performed with an atomic force microscope (AFM; CYPHER S, ASYLUM RESEARCH, England). This comprehensive methodology enables detailed investigation of the interactions between the laser and the microsphere, as well as the resultant material modifications.
Results
The results section presents findings on polarization-independent surface nanostructuring of Sb$_2$S$_3$ thin films using femtosecond laser irradiation through a microsphere in ambient air. Figure 1a demonstrates that employing a microsphere with a diameter of 50 μm and a refractive index of 1.5 optimizes the balance between full width at half maximum (FWHM) and working distance (WD) of the generated photonic nanojet (PNJ). The focal length achieved is approximately 31.5 μm, with a corresponding WD of ~6.5 μm and a FWHM of ~920 nm, indicating operation in the optical far field.
Further analysis, as shown in Figures 1b and 1c, reveals that high-repetition-rate femtosecond laser irradiation at a fluence of 0.14 mJ cm$^{-2}$ and a scanning speed of 150 μm s$^{-1}$ produces uniform nano-lines that are independent of laser polarization. The AFM measurements indicate that the characteristic size of the nano-grooves remains consistent across varying polarization angles, with FWHM values ranging from 50 to 60 nm. This polarization robustness contrasts with typical laser nanoprocessing methods, highlighting the significance of the observed thermal incubation effects and nonlinear absorption phenomena in the formation of these nanostructures.
Discussion
In this section, the authors discuss the mechanisms underlying the formation of polarization-independent surface nanostructures on Sb₂S₃ thin films through femtosecond laser irradiation. A notable observation is the creation of sub-50 nm nano-lines, achieved at a laser fluence of 0.12 mJ cm⁻² and a scanning speed of 150 μm s⁻¹, demonstrating high structural uniformity and precision that surpasses the diffraction limit. The formation of these nano-grooves is primarily attributed to surface thermal stress during the melting, resolidification, and supercooling processes induced by high-repetition-rate laser pulses. The authors highlight the significance of maintaining the material in a molten state, which mitigates the dynamic weakening of the electric field that typically complicates polarization-dependent processing.
The study further elucidates that the feature sizes of the nanostructures can be finely tuned by adjusting the laser fluence, with a minimum size of approximately 38 nm achieved. This polarization-independent approach allows for consistent nanostructuring regardless of the laser polarization direction, as confirmed by experiments showing similar feature sizes across various orientations. The authors suggest that the strategy holds promise for scalable industrial applications in nanofabrication, with potential for further enhancement in machining accuracy through the use of shorter laser wavelengths and smaller microspheres. Future work is proposed to explore the applicability of this technique to other materials, broadening its impact in the field of nanotechnology.