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Microfabbricazione 2D-3D con laser al fs e uFAB

Microfabbricazione 2D-3D con laser al fs accoppiato a una workstation uFAB

Stefano Orlando  -

FemtoLAB in condivisione con DiaTHEMA LAb

Sede di Tito Scalo (Pz)
 
Attraverso l'uso di sorgenti laser al fs possono essere ottenute, con alta riproducibilità e periodicità, micro e nano strutturazioni superficiali dei materiali la cui risoluzione supera il limite di diffrazione. Il superamento di tale limite rende la tecnica unica e irrealizzabile con sistemi ottici standard, permettendo di modificare in modo relativamente semplice le proprietà chimico-fisiche della superficie dei materiali. Le strutture periodiche superficiali indotte dal laser (Laser Induced Periodic Surface Structures - LIPSS), hanno dimostrato di essere efficaci nel variare le proprietà ottiche, meccaniche, di bagnabilità ed elettroniche della superficie (es. introducendo difetti e stati elettronici nella bandgap di semiconduttori), tanto da aprire nuove prospettive per l'applicazione dei materiali che, nella loro forma massiva (bulk), presentano ben altre proprietà. Oltre alla micro- e nano-strutturazione delle superfici la tecnica consente di creare centri di colore all'interno di materiali ad ampia band gap (es. cristalli ionici e diamanti) o realizzare microfabbricazioni o trasformazioni chimiche 3D all'interno di solidi trasparenti alla radiazione laser incidente.
 

SPECIFICHE TECNICHE

Spectra Physics Ti:Sa “fs” Laser

  • Spitfire Pro - Regenerative Amplifier  
    • TEM00 
    • ʎ= 800 nm
    • Emax = 4 mJ 
    • RepRate = 1kHz;  
    • timpulso = 120 fs;  
    • ʎSHG = 400 nm;  
    • Emax@400= 1.5 mJ

Newport uFAB Workstation

  • Risoluzione traslatori: (x, y) 5 nm; (z) 20 nm;
  • Ottiche 4x, 20x, 40x
  • Utilizzo di configurazioni a singolo o doppio impulso con ritardi temporali compresi tra 100 fs e 2 ns

TECNICHE DISPONIBILI

Litografia a 2 fotoni

Lo stato eccitato di un polimero può essere ottenuto dall'assorbimento di un fotone di opportuna lunghezza d'onda o dall'assorbimento simultaneo di due fotoni, ciascuno avente la metà dell'energia richiesta per la transizione. Un elevato flusso fotonico è necessario per promuovere l'assorbimento di due fotoni. Poiché la probabilità di un evento di assorbimento di due fotoni è proporzionale alla seconda potenza dell'intensità della luce, l'eccitazione deve essere localizzata nello spazio. I laser Ti: zaffiro disponibili in commercio che emettono a lunghezze d'onda nella regione del vicino infrarosso dello spettro e impulsi nell'intervallo di 100 fs possono soddisfare questo requisito. Nella polimerizzazione indotta da un processo a 1 fotone, il fascio di eccitazione viene solitamente notevolmente attenuato dall'assorbimento lineare prima di raggiungere il punto focale. Di conseguenza, solo il primo strato del fotoresist viene polimerizzato. Al contrario, la probabilità di assorbimento di due fotoni è più alta nel punto focale. Pertanto la litografia a 2 fotoni è una tecnica unica in grado di creare microstrutture 3D con geometrie arbitrarie a risoluzione inferiore al micrometro come mostrato nella figura (per gentile concessione di Newport Corporation)

Immagini ottenute con microscopio elettronico a scansione di strutture fabbricate mediante litografia a 2 fotoni. Tutti i campioni rivelano la natura tridimensionale delle microstrutture. Le barre della scala sono 20 μm in (a), (c), (d), (e) e 10 μm in (b) e (f)

 

Micro e nano-lavorazione

La microlavorazione con laser a impulsi ultracorti presenta numerosi vantaggi rispetto ai metodi che utilizzano laser a onde continue o impulsi lunghi. I due principali vantaggi sono la possibilità di creare dimensioni di caratteristiche micrometriche e submicrometriche e l'eliminazione quasi completa dei danni collaterali nei dintorni del punto di materiale trattato. Inoltre, poiché l'ablazione di dielettrici trasparenti e semiconduttori ad ampia banda proibita è un processo di scrittura laser diretta, esso è in grado di creare microstrutture complesse e trasformazioni chimiche di massa (ad esempio grafitizzazione locale del diamante) su grandi aree senza la necessità di utilizzo di maschere e di altre tecnologie. Pertanto, la microlavorazione di materiali trasparenti alla lunghezza d'onda fondamentale del laser con laser a impulsi ultracorti è una tecnologia abilitante per la prototipazione rapida di dispositivi che presentano nuove geometrie e nuovi materiali.

Immagini al microscopio ottico di 100 pareti grafitiche verticali incorporate in un film di diamante (a sinistra) e una lente di Fresnel per IR lontano fabbricata sulla superficie di un film di diamante (a destra)

 

CAMPIONI

  • Dimensioni max lavorabili:

    • da Software: 50 mm x 50 mm (x,y);  5 mm (z);

    • con posizionamento manual: 100 mm x 100 mm (x,y); 5 mm (z).

UTILIZZATO PER

  • Nanostrutturazione superficiale

  • Grafitizzazioni superficiali

  • Grafitizzazioni interne

  • Creazione centri di colore

  • Realizzazione di microcanali in materiali bulk

  • Reticoli di diffrazione

 

ESEMPI APPLICATIVI

Nanostrutturazione superficiale per ottimizzare l'assorbimento della luce nei concentratori solari

Il trattamento con laser ad impulsi ultracorti delle superfici di diamante rappresenta una soluzione innovativa per aumentare la limitata assorbanza dello spettro solare derivante dall'ampia bandgap del diamante stesso. Tale trattamento è in grado di produrre un materiale come il black diamond, introducendo difetti nella bandgap e nanostrutturando la superficie così da intrappolare efficacemente i fotoni della radiazione solare incidente.

Si veda:

  • FP7-Energy Collaborative - E2PHEST2US, Grant Agreement n.241270 (2010-2012)
  • FP7-Energy FET - ProME3THE2US2, Grant Agreement n.308975 (2013-2016)
  • H2020 FET-OPEN - AMADEUS, Grant Agreement n.737054 (2017-2020)
  • Daniele M., Trucchi, Advanced Energy Materials 8, 1802310 (2018) DOI: 10.1002/aenm.201802310
 
 
 
 

Formazione di centri di colore in materiali a larga gap (es. cristalli ionici)

  • Creazione di tracce conduttive all'interno di materiali isolanti (es tracce grafitiche all'interno di diamante);
  • Creazione di microcanali mediante autofocheggiamernto del fascio laser utilizzando lenti a focale lunga (>1 m).

Si veda: Sergey M., Avanesyan, Appl. Surf. Sci. 248, 129 (2005)
DOI:10.1016/j.apsusc.2005.03.014

 
 

Trattamento superficiale laser di polimeri

I polimeri stanno sostituendo progressivamente metalli e leghe metalliche in applicazioni tecnologiche e vi è un grande interesse verso i trattamenti fisico-chimici per la modifica delle proprietà superficiali. Lo scopo di queste attività di ricerca è la modulazione delle proprietà fisiche e chimiche di superfici polimeriche al fine di migliorarne le prestazioni in alcune applicazioni come le celle solari e per il settore automotive. I trattamenti laser sono di particolare interesse per modificare morfologicamente e chimicamente un polimero. Per raggiungere tale obiettivo, impieghiamo sorgenti laser (al fs o al ns) scegliendo opportunamente i parametri laser come: energia dell'impulso, dimensione dello spot laser e distanza del fascio laser focalizzato dalla superficie del campione. I campioni trattati vengono caratterizzati mediante microscopia elettronica a scansione (SEM), diffrazione di raggi X (XRD), spettroscopia u-Raman e misure di bagnabilità. I risultati morfologici finora ottenuti hanno evidenziato la formazione di strutture periodiche di dimensioni micrometriche e sub-micrometriche tali da mantenere le principali caratteristiche chimiche della superficie del polimero ma modulando le proprietà fisiche superficiali come ad esempio la bagnabilità.

  • Si veda: A. Guarnaccio et al., Femtosecond Laser Surface Texturing of Polypropylene copolymer for automotive paint applications (in manuscript).
     
    Contatto: Ambra Guarnaccio -
 
 
 
 

Nanostrutturazione superficiale dei materiali con varie morfologie anche bioispirate e determinate da

  • Utilizzo di due impulsi laser al fs ritardati in tempo nell'intervallo (100 fs-2 ns): 2D-LIPSS;
  • Polarizzazione lineare dei due fasci incidenti (verticale-orizzontale) ovvero polarizzazione circolare (levogira-destrogira).

Effetti delle diverse morfologie alla nanoscala

  • Variazione modulabile delle proprietà superficiali dei materiali (es. chimico-fisiche, ottiche ecc.). 

Strutture periodiche 2D con passo di circa 80 nm sono state realizzate per la prima volta su superfici di diamante monocristallino utilizzando due fasci laser ultracorti linearmente polarizzati e perpendicolari tra loro (2D-LIPSS) ottenuti tramite la messa a punto di un set-up sperimentale tipo interferometro di Michelson e ritardati otticamente nell'intervallo 100 fs - 50 ps. Attraverso tale configurazione è già stato dimostrato come sia possibile realizzare strutture periodiche superficiali il cui passo va da 1/4 fino a 1/10 della lunghezza d'onda della radiazione incidente. L'entità del ritardo tra i due impulsi nella strutturazione 2D-LIPSS determina la struttura risultante. La 2D-LIPSS messa a punto consente di controllare, nel dominio temporale fs-ps, l'interferenza tra il raggio laser incidente e i polaritoni plasmonici superficiali indotti in modo da permettere, alla nanoscala, la fabbricazione di strutture periodiche superficiali 2D, così da poter applicare tale tecnica in modo versatile ai materiali ad alta band-gap modulandone le proprietà che possono essere collegate sia alla scala dimensionale che alla geometria delle nanostrutturazioni generate superficialmente via 2D-LIPSS.

  • Si veda: M. Mastellone et al., submitted, 00 (2020) 00
    Applicazioni DiaTHEMA Lab

Contatto: Antonio Santagata -

 
 
 
 
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