Ultrasnel laserplatform maakt fabricage en studie van nanostructuren in metaalfilms mogelijk

Met behulp van ultrasnelle laserstralen heeft een team van het Irradiated Solids Laboratory een experiment ontworpen dat zowel de creatie van nanometrische holtes in metaalfilms mogelijk maakt als het bestuderen ervan met behulp van verschillende geavanceerde microscopietechnieken. De resultaten zijn geweest gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven.

Zonlicht dat door een vergrootglas valt, kan een vel papier in brand steken. Op dezelfde manier kan een gefocusseerde laserstraal bepaalde materialen snijden. Dit principe wordt al op industriële schaal algemeen toegepast. Maar de fijnheid van laserstralen maakt het ook mogelijk om patronen op nanometerformaat te etsen.

Hoewel deze “laserlithografie”-technieken al bestaan, is een samenwerking onder leiding van een team van de LSI verder gegaan door de fabricage van nanostructuren in dunne metaalfilms en hun in situ karakterisering op één enkel platform te combineren. Uiteindelijk zou dit kunnen leiden tot snellere en goedkopere nanofabricagetechnologieën.

De lichtbundel die voor het experiment wordt gebruikt, wordt geproduceerd door een laser die ultrakorte pulsen creëert, in de orde van een miljoenste van een miljardste van een seconde (dwz een femtoseconde).

Een 3-in-1-platform

De onderzoekers creëerden holtes door een metaalfilm (zoals nikkel, ijzer of een meerlaagse structuur) te scheiden van een isolerend substraat. “Door de grootte en kenmerken van de femtoseconde-laserstraal te veranderen, is het mogelijk om de structuur vorm te geven, en in het bijzonder de kromming van de holte”, legt Vasily Temnov uit, een natuurkundige bij LSI, die samen met twee bachelorstudenten van de École Polytechnique werkte aan een onderzoeksproject van Projet de Recherche en Laboratoire (PRL), Akira Barros en Aditya Swaminathan.

In hetzelfde experiment werden drie methoden voor het karakteriseren van deze structuren geïmplementeerd: een interferometrische microscopietechniek, waarmee de vorming van deze structuren kan worden waargenomen; een foto-akoestische microscopietechniek, die met name wordt gebruikt om de trillingen van de holtes te bestuderen; en magnetoplasmonische microscopie.

Deze laatste techniek maakt gebruik van een laserstraal en een magnetisch veld om de collectieve toestanden van elektronen, bekend als plasmonen, te onderzoeken, die zeer moeilijk waar te nemen zijn in deze nanostructuren. Dit is het eerste experiment waarin al deze aspecten succesvol worden gecombineerd.

Dit werk maakt de weg vrij voor fundamenteel onderzoek naar de excitatie van verschillende quasideeltjes (fononen, plasmonen, magnonen, enz.) in deze nanometrische structuren, alvorens mogelijke toepassingen te overwegen zoals druk- of magnetische veldsensoren geïntegreerd op chips.