Lompat ke konten Lompat ke sidebar Lompat ke footer

Meneliti Struktur Permukaan Periodik yang Diinduksi Laser 'LIPSS' dari Silikon

Dengan menggunakan Ti:Sapphire laser dan mid-infrared free-electron laser (MIR-FEL) untuk menyusun silikon, para ilmuwan telah mendemonstrasikan bagaimana laser menginduksi struktur permukaan periodik (LIPSS) bervariasi tergantung pada sifat laser. Kredit: Reina Miyagawa dari Institut Teknologi Nagoya

Perangkat elektronik dan optik yang kita gunakan sehari-hari, seperti ponsel, LED, dan sel surya menggunakan transistor dan bagian lain yang secara konsisten semakin kecil dan padat. Dengan kebutuhan yang terus meningkat akan daya komputasi, penyimpanan, dan efisiensi energi, tren ini hanya akan berlanjut ke titik ekstrem baru.

Memproduksi komponen sekecil itu untuk perangkat elektronik membutuhkan permesinan dan persiapan struktur pada skala sub-mikron, hingga ratusan kali lebih kecil dari lebar rambut manusia. Tetapi metode saat ini untuk nanofabrikasi permukaan menggunakan fotolitografi dan litografi e-beam — metode yang rumit, sangat mahal, umumnya tidak dapat diakses, dan memerlukan keahlian tingkat tinggi.

Struktur permukaan periodik yang diinduksi laser (LIPSS) telah dialokasikan sebagai alternatif baru dan prospektif untuk metode ini. Dalam LIPSS, laser femtosecond digunakan untuk mengirimkan pulsa laser ultrashort yang secara spontan mengarah pada pembentukan pola periodik pada permukaan yang jauh lebih kecil daripada panjang gelombang laser.

Parameter terkenal di LIPSS adalah pilihan panjang gelombang laser, yang secara langsung memengaruhi periodisitas struktur yang terbentuk. Namun parameter lain tetap belum dipelajari. Kekhawatiran utama mengenai penggunaan standar LIPSS meliputi kualitas struktur permukaan yang terbentuk, yaitu kristalinitas substrat, potensi cacat, dan regangan. Untuk secara konsisten menghasilkan LIPSS dengan sifat dan karakteristik yang dapat dikontrol untuk aplikasi tertentu, sangat penting untuk memahami sumber laser mana yang harus digunakan untuk kebutuhan tertentu.

Untuk menjawab pertanyaan tersebut secara lebih mendalam, sebuah kolaborasi penelitian Jepang yang dipimpin oleh para ilmuwan dari Nagoya Institute of Technology, kini telah menyelidiki secara langsung berbagai parameter yang dipengaruhi oleh pilihan laser. Pekerjaan, bekerja sama dengan Universitas Osaka, Universitas Tokai, Universitas Kyoto, dan Badan Energi Atom Jepang (JAEA), dipimpin oleh Asisten Profesor Reina Miyagawa dari Institut Teknologi Nagoya, bersama Profesor Norimasa Ozaki dari Universitas Osaka, dan Profesor Masaki Hashida dari Universitas Tokai, yang juga seorang peneliti di Universitas Kyoto. Temuan mereka telah dipublikasikan di Scientific Reports.

Melalui pilihan sifat laser yang tepat, struktur permukaan periode yang diinduksi laser (LIPSS) dapat disetel dan disesuaikan untuk aplikasi spesifik dengan memanipulasi cacat, regangan, dan periodisitasnya. Kredit: Reina Miyagawa dari Institut Teknologi Nagoya

"Dalam penelitian kami, kami memilih silikon sebagai substrat, karena merupakan bahan yang digunakan di banyak perangkat optoelektronik di seluruh dunia, seperti transistor, ponsel, dan sel surya," jelas Dr. Miyagawa.

Para peneliti menggunakan dua laser femtosecond yang berbeda pada substrat. Dalam satu percobaan, sistem laser titanium dan safir (Ti:Safir) dengan pulsa 0,8 µm digunakan untuk menyusun silikon pada energi yang lebih tinggi daripada energi celah pita. Dalam percobaan lain, para peneliti menggunakan laser elektron bebas pada pulsa inframerah menengah 11,4 µm, yang dapat menyelidiki efek pada energi yang lebih rendah daripada energi celah pita sampel.

Analisis sampel LIPSS dilakukan secara mikroskopis dan makroskopis. Kristalinitas dan kemurnian mikroskopis dipelajari menggunakan mikroskop elektron transmisi (TEM), sedangkan analisis yang lebih makroskopis dari regangan dan stabilitas struktur yang lebih luas diselidiki menggunakan difraksi sinar-X energi tinggi synchrotron (XRD).

Ketika laser Ti:Sapphire digunakan, LIPSS yang diamati mempertahankan sifat silikon yang sangat kristal tetapi tampaknya mengambil beberapa regangan sisa. Sebaliknya, LIPSS yang dibentuk oleh laser elektron bebas inframerah menengah menyebabkan beberapa cacat yang terlihat jelas. Namun, tidak ada ketegangan yang dapat diamati pada sistem apa pun," tambah Dr. Miyagawa.

Studi ini merupakan laporan pertama tentang pengamatan kristalinitas beresolusi tinggi, mikroskopis dan makroskopik dalam LIPSS menggunakan difraksi sinar-X energi tinggi sinkrotron. Temuan menunjukkan bagaimana LIPSS dapat disetel dan disesuaikan untuk aplikasi tertentu dengan memanipulasi cacat, regangan, dan periodisitasnya, melalui pilihan laser yang tepat.

Penelitian lanjutan di sepanjang garis ini dapat membuka jalur menuju aplikasi LIPSS secara luas untuk mencapai fabrikasi permukaan berstrukturnano yang hemat biaya, sederhana, dan dapat diakses untuk aplikasi dalam berbagai perangkat optoelektronik.