【摘 要】
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激光直写技术作为一种新兴的加工技术,在当前微电子产业中已取得实质性应用。微电子有源器件需要微纳导电图形来支撑其主要的光电功能,而制造其中微纳导电图形的技术至关重要。普通金属与导电聚合物是导电图形中的主要材料,其传统的微纳加工需要多种设备,工艺非常繁琐。而飞秒激光能使材料在激光焦点处发生光物理或光化学反应,具备一步实现各种高分辨率图形的能力。如果将飞秒激光与导电图形的微纳制造相结合,则能够极大简化传
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(No.61775068 & 61432007)
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激光直写技术作为一种新兴的加工技术,在当前微电子产业中已取得实质性应用。微电子有源器件需要微纳导电图形来支撑其主要的光电功能,而制造其中微纳导电图形的技术至关重要。普通金属与导电聚合物是导电图形中的主要材料,其传统的微纳加工需要多种设备,工艺非常繁琐。而飞秒激光能使材料在激光焦点处发生光物理或光化学反应,具备一步实现各种高分辨率图形的能力。如果将飞秒激光与导电图形的微纳制造相结合,则能够极大简化传统加工步骤,降低制造成本。但是目前的激光加工导电结构的分辨率较低,难以适用于微电子器件。基于飞秒激光的双光束激光加工能有效突破衍射极限,其较高的加工分辨率得益于高功率密度的抑制光,但过高的功率密度产生的副反应又限制了分辨率进一步提高。基于上述问题,本工作利用飞秒激光直写技术直接从溶液中制备了普通金属与导电聚合物超分辨尺寸的亚微米结构。同时为进一步提高该方法的加工分辨率到纳米尺度,在双光束系统中提出一种高效的间接损耗模式,能够显著提高其分辨率。主要成果如下:(1)利用飞秒激光的双光子吸收实现亚微米尺寸铜纳米线。通过调节离子价态,改变了溶液的光吸收波长范围,降低了溶液对激光的单光子吸收,使其主要通过双光子作用吸收激光能量。通过生成铜原子团簇增强了双光子吸收,并用表面活性剂抑制铜的自发还原速率。得到的铜线宽度低至230 nm,导电率达8.19×104 S/m。相比同类研究,该方法能够有效避免强烈的光热效应,为普通金属的超分辨激光直写提供了指导。(2)利用飞秒激光的双光子作用成功制造了亚微米尺寸的有机导电材料聚(3,4-乙烯二氧噻吩,PEDOT)。PEDOT的线宽低至140 nm,导电率达到1.28×105 S/m,并基于该直写的PEDOT构建了纳米电路。激光焦点的电场仿真表明,激光直写所得PEDOT材料的形状由电场的X方向分量决定。该工作实现了导电聚合物的超分辨激光直写。(3)由于上述飞秒激光制造导电图形分辨率只有亚微米级,本工作利用在双光束超分辨直写中引入间接损耗的办法进一步提高分辨率。以量子点的三激子荧光为例,建立相关的理论模型来描述双光束激光作用下材料中电子的受激过程。使用第二束光抑制整个过程的中间态来达到抑制三激子荧光的效果。相比于直接损耗方式,同样激光功率密度下间接损耗能有效提高分辨率。基于这种间接损耗的方式,提出了三种间接物理抑制方法,用于双光束超分辨激光加工。该工作为进一步提高双光束激光加工分辨率提供了有效方法。
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