Наноструктурирование тонких титановых пленок на основе субволновых ЛИППС

Прецизионное наноструктурирование тонких пленок является важной задачей в производстве современных элементов оптоэлектроники и фотоники. Прямая запись лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур (ЛИППС) является перспективным инструментом для прямого субволнового наноструктурирования. Недавние исследования показывают, что динамика формирования ЛИППС существенно изменяется, если пленка является оптически тонкой. В этой работе представлена комплексная аналитическая модель, призванная сократить разрыв между ожидаемой динамикой электромагнитных полей во время формирования ЛИППС и экспериментально получаемыми результатами наноструктурирования. Феноменологическая модель распространения поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) на границе раздела пленка–подложка иллюстрирует механизм формирования ЛИППС с использованием периодического распределения концентрации энергии ПЭВ. Рассчитаны характеристики ПЭВ в зависимости от толщины металлической пленки, а также показана положительная обратная связь между локальной толщиной растущего оксидного слоя и концентрацией энергии ПЭВ. Изменения в механизмах формирования ЛИППС подтверждены экспериментально на пленках титана различной толщины. Эти результаты проясняют внутренние физические механизмы формирования ЛИППС на тонких металлических пленках и расширяют возможности применения ЛИППС для наноструктурирования.

1. Feng E., Zhang C., Chang J., Han Y., Li H., Luo Q., Ma C.Q., Yip H.L., Ding L., Yang J. A 16.10 % efficiency organic solar module with ultra-narrow interconnections fabricated via nanosecond ultraviolet laser processing. Cell Reports Physical Science, 2024, 5 (3), 101883.

2. Nirmal A., Kyaw A.K.K., Jianxiong W., Dev K., Sun X., Demir H.V. Light Trapping in Inverted Organic Photovoltaics with Nanoimprinted ZnO Photonic Crystals. IEEE J. of Photovoltaics, 2017, 7 (2), P. 545–549.

3. Dang S., Ye H. A visible-infrared-compatible camouflage photonic crystal with heat dissipation by radiation in 5–8 µm. Cell Reports Physical Science, 2021, 2 (11), 100617.

4. Bronnikov K., Terentyev V., Simonov V., Fedyaj V., Simanchuk A., Babin S.A., Lapidas V., Mitsai E., Cherepakhin A., Zhang J., Zhizhchenko A. Highly Regular Laser-Induced Periodic Surface Structures on Titanium Thin Films for Photonics and Fiber Optics. ACS Applied Materials & Interfaces, 2024, 16 (50), P. 70047–70056.

5. Dostovalov A., Bronnikov K., Korolkov V., Babin S., Mitsai E., Mironenko A., Tutov M., Zhang D., Sugioka K., Maksimovic J., Katkus T. Hierarchical anti-reflective laser-induced periodic surface structures (LIPSSs) on amorphous Si films for sensing applications. Nanoscale, 2020, 12 (25), P. 13431–13441.

6. Banerjee D., Akkanaboina M., Kanaka R.K., Soma V.R. Femtosecond Bessel beam induced ladder-like LIPSS on trimetallic surface for SERSbased sensing of Tetryl and PETN. Applied Surface Science, 2023, 616, 156561.

7. Pan X., Zhou L., Hu D., He W., Liu P., Yu Z., Liang X. Superior wear resistance in cast aluminum alloy via femtosecond laser induced periodic surface structures and surface hardening layer. Applied Surface Science, 2023, 636, 157866.

8. Sotelo L., Fontanot T., Vig S., Herre P., Yousefi P., Fernandes M.H., Sarau G., Leuchs G., Christiansen S. Influence of initial surface roughness on LIPSS formation and its consecutive impact on cell/bacteria attachment for TiAl6V4 surfaces. Advanced Materials Technologies, 2023, 8 (12), 2201802.

9. Andreeva Y.M., Luong V.C., Lutoshina D.S., Medvedev O.S., Mikhailovskii V.Y., Moskvin M.K., Odintsova G.V., Romanov V.V., Shchedrina N.N., Veiko V.P. Laser coloration of metals in visual art and design. Optical Materials Express, 2019, 9 (3), P. 1310–1319.

10. Ibrahim Q., Andreeva Y., Suvorov A., Khmelenin D., Grigoryev E., Shcherbakov A.A., Sinev D. Laser fabrication of 1D and 2D periodic subwavelength gratings on titanium films. Optics & Laser Technology, 2024, 174, 110642.

11. Bonse J., Graf S. Maxwell meets Marangoni – a review of theories on laser-induced periodic surface structures. ¨ Laser & Photonics Reviews, 2020, 14 (10), 2000215.

12. Oktem B., Pavlov I., Ilday S., Kalaycıo ¨ glu H., Rybak A., Yavas¸ S., Erdo ˘ gan M., Ilday F. ˘ O. Nonlinear laser lithography for indefinitely large-area ¨ nanostructuring with femtosecond pulses. Nature Photonics, 2013, 7 (11), P. 897–901.

13. Sinev D.A., Yuzhakova D.S., Moskvin M.K., Veiko V.P. Formation of the submicron oxidative LIPSS on thin titanium films during nanosecond laser recording. Nanomaterials, 2020, 10 (11), 2161.

14. Belousov D.A., Bronnikov K.A., Okotrub K.A., Mikerin S.L., Korolkov V.P., Terentyev V.S., Dostovalov A.V. Thermochemical laser-induced periodic surface structures formation by femtosecond laser on Hf thin films in air and vacuum. Materials, 2021, 14 (21), 6714.

15. Yang H.Z., Jiang G.D., Wang W.J., Mei X.S., Pan A.F., Zhai Z.Y. Picosecond laser fabrication of nanostructures on ITO film surface assisted by pre-deposited Au film. Applied Physics B, 2017, 123 (10), 251.

16. Dostovalov A.V., Derrien T.J.-Y., Lizunov S.A., Pˇreucil F., Okotrub K.A., Mocek T., Korolkov V.P., Babin S.A., Bulgakova N.M. LIPSS on thin ˇ metallic films: New insights from multiplicity of laser-excited electromagnetic modes and efficiency of metal oxidation. Applied Surface Science, 2019, 491, P. 650–658.

17. Dostovalov A.V., Korolkov V.P., Okotrub K.A., Bronnikov K.A., Babin S.A. Oxide composition and period variation of thermochemical LIPSS on chromium films with different thickness. Optics Express, 2018, 26 (6), P. 7712–7723.

18. Bronnikov K., Gladkikh S., Okotrub K., Simanchuk A., Zhizhchenko A., Kuchmizhak A., Dostovalov A. Regulating morphology and composition of laser-induced periodic structures on titanium films with femtosecond laser wavelength and ambient environment. Nanomaterials, 2022, 12 (3), 306.

19. Bad´ıa-Majos A., Mart ´ ´ınez E., Angurel L.A., de la Fuente G.F., Fourneau E., Marinkovic S., Silhanek A.V. Laser nanostructured metasurfaces in ´ Nb superconducting thin films. Applied Surface Science, 2024, 649, 159164.

20. Xu L., Geng J., Shi L., Cui W., Qiu M. Impact of film thickness in laser-induced periodic structures on amorphous Si films. Frontiers of Optoelectronics, 2023, 16 (1), 16.

21. Fraggelakis F., Lingos P., Tsibidis G.D., Cusworth E., Kay N., Fumagalli L., Kravets V.G., Grigorenko A.N., Kabashin A.V., Stratakis E. DoublePulse Femtosecond Laser Fabrication of Highly Ordered Periodic Structures on Au Thin Films Enabling Low-Cost Plasmonic Applications. ACS Nano, 2025, 19 (25), P. 23258–23275.

22. Derrien T.J.-Y., Kruger J., Bonse J. Properties of surface plasmon polaritons on lossy materials: lifetimes, periods and excitation conditions. ¨ J. of Optics, 2016, 18 (11), 115007.

23. Johnson P.B., Christy R.W. Optical constants of transition metals: Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Pd. Physical Review B, 1974, 9 (12), P. 5056–5070.

24. Libenson M.N. Laser-induced optical and thermal processes in condensed matter and their mutual influence. Nauka Publisher, St. Petersburg, 2007. 423 p. (in Russian).

25. Malitson X.I.H. Interspecimen comparison of the refractive index of fused silica. J. of the Optical Society of America, 1965, 55 (10), P. 1205–1209.

26. Devore J.R. Refractive indices of rutile and sphalerite. J. of the Optical Society of America, 1951, 41 (6), P. 416–419.