СПОСОБ СОЗДАНИЯ МНОГОСЛОЙНОЙ НАНОСТРУКТУРЫ Российский патент 2013 года по МПК H01L21/268 B82B3/00 B82Y40/00 

Настоящее изобретение относится к различным областям техники, использующим материалы с развитыми поверхностями в виде многослойных наноструктур, в том числе к энергетике для создания солнечных батарей, к приборостроению для создания фотоприемных устройств, к машиностроению для создания катализаторов, к светотехнике для создания высокоэффективных люминесцентных источников света.

Предшествующий уровень техники

Известен способ создания многослойной наноструктуры, заключающийся в образовании отдельных ее слоев под действием импульсов лазерного излучения и их соединения между собой (см., например, патент РФ №2382440, кл. H01L 39/24, B82B 3/00).

Известный способ позволяет создавать многослойную наноструктуру путем нанесения каждого последующего слоя на предыдущий.

Однако этот способ технически сложен, т.к. процесс образования многослойной наноструктуры производится в кварцевой печи, помещенной в вакуумную камеру. Этот процесс также длителен, т.к. каждый слой толщиной примерно 40 нм образуют путём лазерного распыления мишени примерно за 20 сек, а затем его охлаждают примерно 20 мин перед нанесением последующего слоя.

Известньм способом также затруднительно создать наноструктуру, состоящую из нескольких сотен и тысяч слоев. А именно такая наноструктура имеет максимально развитую поверхность, образуемую заостренными торцами срощенных между собой слоев.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения положена задача получения такого способа создания многослойной наноструктуры, который позволил бы создавать наноструктуру из многих сотен слоев за время длительности одного импульса лазерного излучения.

Поставленная задача решается тем, что в способе создания многослойной наноструктуры, заключающемся в образовании отдельных её слоев под действием импульсов лазерного излучения и их соединения вплотную между собой, в соответствии с изобретением, на одну из поверхностей материала, прозрачного для лазерного излучения, наносят металлизированную дифракционную решетку, воздействуют на этот материал импульсом лазерного излучения, вызывают дифракцию и многолучевую интерференцию лазерного луча у поверхности дифракционной решетки в области лазерного пятна, образуют в этой области множество отраженных от дифракционной решетки лазерных лучей, вызывают последовательно в точках их отражения от дифракционной решетки локальное выделение энергии лазерного луча, плавление прозрачного для лазерного излучения материала, образование центров кристаллизации, взрывную кристаллизацию прозрачного для лазерного излучения материала по отраженным от дифракционной решетки лучам после завершения действия импульса лазерного излучения и создают одновременно множество ерошенных между собой слоев из прозрачного для лазерного излучения материала.

При таком способе создания многослойной наноструктуры за время действия одного импульса лазерного излучения в пределах лазерного пятна одновременно образуют множество ерошенных между собой слоев из прозрачного для лазерного излучения материала.

Целесообразно, что устанавливают шаг дифракционной решетки её профиль, длину волны, фокусировку, мощность и длительность импульсов лазерного излучения и изменяют размер, толщину и число слоев многослойной наноструктуры.

При таком способе создания многослойной наноструктуры можно в широком диапазоне варьировать её параметрами от минимального числа составляющих её толстых слоев до максимального числа составляющих эту структуру тонких слоев.

Целесообразно, что создают многослойную наноструктуру со слоями внутри прозрачного для лазерного излучения материала или с выступающими за его пределы.

При таком способе создания многослойной наноструктуры можно создавать наноструктуру в изолированном от внешней среды объеме внутри прозрачного для лазерного излучения материала.

Целесообразно, что легируют металлом или окислом металла прозрачный для лазерного излучения материал, а при образовании слоев из этого материала оттесняют металл или окисел металла на границу между слоями и создают многослойную наноструктуру из чередующихся слоев двух различных материалов.

При таком способе создания многослойной наноструктуры за время действия импульса лазерного излучения в пределах лазерного пятна может быть создана многослойная наноструктура металл-диэлектрик, если в качестве прозрачного для лазерного излучения материала будет использована, например, пластмасса.

Целесообразно, что при использовании в качестве материала, прозрачного для лазерного излучения, чистого или легированного примесями полупроводникового материала, перед воздействием на него импульсом лазерного излучения нагревают этот материал в контролируемой защитной атмосфере до температуры, близкой к температуре его плавления.

При таком способе создания многослойной наноструктуры за время действия импульса лазерного излучения в пределах лазерного пятна может быть создана многослойная наноструктура из чередующихся слоев металл-полупроводник.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего настоящего изобретения варианта осуществления и прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг.1 иллюстрирует фотографию двух многослойных наноструктур, полученных в результате воздействия на прозрачный для лазерного излучения материал двумя последовательными импульсами лазерного излучения.

Фиг.2 иллюстрирует предлагаемый способ создания многослойной наноструктуры.

Лучшие варианты осуществления изобретения

Предлагаемый способ создания многослойной наноструктуры осуществляют следующим образом.

На одну из поверхностей 1 материала 2 прозрачного для лазерного излучения наносят металлизированную дифракционную решетку 3. Воздействуют на материал 2 импульсом лазерного излучения 4, имеющим множество мод, которые характеризуют пространственное распределение интенсивности этого излучения. При вхождении лазерного луча 4 в материал 2, прозрачный для лазерного излучения, происходит его дисперсия, определяемая показателем преломления материала 2 в зависимости от частоты лазерного излучения 4. При взаимодействии мод лазерного излучения 4 с дифракционной решеткой 3 у ее поверхности в области лазерного пятна 5 происходит дифракция и многолучевая интерференция мод лазерного излучения 4. В результате в области лазерного пятна 5 образуется множество отраженных от дифракционной решетки лучей 6. В точках отражения лучей 6 от дифракционной решетки 3 последовательно происходит локальное выделение энергии, плавление прозрачного для лазерного излучения материала 2, образование центров кристаллизации и возникает взрывная кристаллизация прозрачного для лазерного излучения материала 2 по отраженным от дифракционной решетки 3 лучам 6 после завершения действия импульса лазерного излучения 4. В результате одновременно образуется множество ерошенных между собой слоев 7 из прозрачного для лазерного излучения материала 2.

Описанный процесс создания многослойной наноструктуры из прозрачного для лазерного излучения материала с низкой температурой плавления происходит на открытом воздухе, вне вакуумной камеры.

На фиг.1 показаны две полученные описанным способом наноструктуры, каждая из которых создана в результате воздействия одного импульса лазерного излучения на прозрачную для лазерного излучения пластмассу. Фотографии этих наноструктур получены при помощи атомно-силового микроскопа.

Таким образом после завершения действия одного импульса лазерного излучения длительностью порядка 10 нс, в пределах лазерного пятна в результате взрывной кристаллизации прозрачного для лазерного излучения материала, идущей со скоростью 80 м/сек-100 м/сек, одновременно образуется множество слоев из этого материала и создается многослойная наноструктура. Число образуемых таким образом слоев может превышать несколько тысяч и зависит от числа отраженных от дифракционной решетки лучей, количество которых в свою очередь определяется шагом и профилем дифракционной решетки, а также длиной волны, фокусировкой, мощностью и длительностью импульсов лазерного излучения. Варьируя этими параметрами можно в широком диапазоне менять условия для создания многослойной наноструктуры, создавая наноструктуры с различным числом и толщиной слоев из прозрачного для лазерного излучения материала. Можно также создавать многослойные наноструктуры внутри прозрачного для лазерного излучения материала.

Как видно на фиг.1, торцы созданных таким образом срощенных между собой слоев образуют развитую поверхность, на которую в дальнейшем любым известным способом могут быть нанесены слои различных материалов, в том числе металлов, полупроводников и т.д.

Предлагаемым способом также возможно создавать многослойные наноструктуры из чередующихся слоев двух различных материалов. Такая возможность создается при легировании металлом или окислом металла прозрачного для лазерного излучения материала, например, пластмассы. В этом случае в процессе взрывной кристаллизации прозрачного для лазерного излучения материала происходит оттеснение примесей из расплава на границу между образуемыми слоями и образование наноструктуры из чередующихся слоев металл-диэлектрик.

Предлагаемым способом можно также создавать многослойные наноструктуры из слоев прозрачного для лазерного излучения полупроводникового материала или из чередующихся слоев металл-полупроводник при легировании полупроводникового материала металлом. Однако в этом случае, с учётом высокой температуры плавления прозрачного для лазерного излучения материала, перед воздействием на него импульсом лазерного излучения, этот материал предварительно нагревают в контролируемой защитной атмосфере, близкой к температуре плавления.

Промышленная применимость

Описанным способом могут быть созданы развитые поверхности в виде многослойных наноструктур для использования при производстве солнечных батарей, фотоприемных устройств, катализаторов, высокоэффективных люминесцентных источников света.

Изобретение относится к различным областям техники, использующим материалы с развитыми поверхностями в виде многослойных наноструктур для производства солнечных батарей, фотоприемных устройств, катализаторов, высокоэффективных люминесцентных источников света. В способе создания многослойной наноструктуры на одну из поверхностей прозрачного для лазерного излучения материала наносят дифракционную решетку и воздействуют на этот материал импульсом лазерного излучения, вызывают дифракцию и многолучевую интерференцию лазерного луча у поверхности дифракционной решетки в области лазерного пятна, образуют в этой области множество отраженных от дифракционной решетки лазерных лучей, вызывают последовательно в точках их отражения от дифракционной решетки локальное выделение энергии лазерного луча, плавление прозрачного для лазерного излучения материала, образование центров кристаллизации, взрывную кристаллизацию прозрачного для лазерного излучения материала по отраженным от дифракционной решетки лучам после завершения действия импульса лазерного излучения и одновременно создают множество срощенных между собой слоев из прозрачного для лазерного излучения материала. Изобретение позволяет создавать многослойные наноструктуры из многих сотен слоев за время длительности одного импульса лазерного излучения. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ создания многослойной наноструктуры, заключающийся в образовании отдельных ее слоев под действием импульсов лазерного излучения и их соединения вплотную между собой, отличающийся тем, что на одну из поверхностей материала, прозрачного для лазерного излучения, наносят металлизированную дифракционную решетку, воздействуют на этот материал импульсом лазерного излучения, вызывают дифракцию и многолучевую интерференцию лазерного луча у поверхности дифракционной решетки в области лазерного пятна, образуют в этой области множество отраженных от дифракционной решетки лазерных лучей, вызывают последовательно в точках их отражения от дифракционной решетки локальное выделение энергии лазерного луча, плавление прозрачного для лазерного излучения материала, образование центров кристаллизации, взрывную кристаллизацию прозрачного для лазерного излучения материала по отраженным от дифракционной решетки лучам после завершения действия импульса лазерного излучения и создают одновременно множество ерошенных между собой слоев из прозрачного для лазерного излучения материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что устанавливают шаг дифракционной решетки, ее профиль, длину волны, фокусировку, мощность и длительность импульсов лазерного излучения и изменяют размер, толщину и число слоев многослойной наноструктуры.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что создают многослойную наноструктуру со слоями внутри прозрачного для лазерного излучения материала или с выступающими за его пределы.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что легируют металлом или окислом металла прозрачный для лазерного излучения материал, а при образовании слоев из этого материала оттесняют металл или окисел металла на границу между слоями и создают многослойную наноструктуру из чередующихся слоев двух различных материалов.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что при использовании в качестве материала, прозрачного для лазерного излучения, чистого или легированного примесями полупроводникового материала, перед воздействием на него импульсом лазерного излучения нагревают этот материал в контролируемой защитной атмосфере до температуры, близкой к температуре его плавления.