© 2009 г. В. С. Макин*, канд. физ.-мат. наук; Ю. И. Пестов*; Р. С. Макин**, канд. физ.-мат. наук; А. Я. Воробьев***, канд. физ.-мат. наук
*** Научно-исследовательский институт комплексных испытаний оптико-электронных приборов *** и систем, г. Сосновый Бор, Ленинградская обл.
*** Ульяновский государственный университет, Димитровградский филиал, г. Димитровград, *** Ульяновская обл.
*** Институт оптики Рочестерского университета, Нью-Йорк, США
*** Е-mail: vmak@niiki.ru
Проанализированы опубликованные экспериментальные данные по разрушению поверхностей полупроводников в результате действия серии импульсов поляризованного фемтосекундного лазерного излучения, сопровождающегося образованием регулярных и неупорядоченных микро- и наноструктур. Выявленные особенности упорядоченного разрушения прозрачных и непрозрачных полупроводников и диэлектриков объяснены в рамках универсальной поляритонной модели лазерно-индуцированного разрушения конденсированных сред, включающей возбуждение и интерференцию цилиндрических поверхностных плазмон-поляритонов.
Ключевые слова: фемтосекундный лазерный импульс, плазмон-поляритон, интерференция.
Коды OCIS: 350.5340, 50.3390
УДК 536.421
Поступила в редакцию 16.06.2009
ЛИТЕРАТУРА
1. Tomita T., Kinoshita K., Matsuo S., Hashimoto S. Effect of surface roughening on femtosecond laserinduced ripple structures // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 90. P. 153115.
2. Le Harzic R., Schuck H., Anhut T., Riemann I., Konig K. Sub-100 nm nanostructuring of silicon by ultrashort laser pulses // Optics Express. 2005. V. 13. № 17. P. 6651–6656.
3. Borowiec A., Haugen H.K. Subwavelength ripple formation on the surface of compound semiconductors irradiated with femtosecond laser pulses // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 42. № 25. P. 4462–4464.
4. Tan B., Venkatakrishnan K. A femtosecond laserinduced periodical surface structure on crystalline silicon // J. Micromech. Microeng. 2006. V. 16. P. 1080–1085.
5. Wang X.C., Lim G.C., Ng F.L. Subwavelength periodic ripples formation on GaN surface by femtosecond laser pulses // Surface Review and Lett. 2005. V. 12. № 4. P. 651–657.
6. Quyang H., Deng Y., Knox W.K., Fauchet P.M. Photochemical etching of silicon by two photon absorption // Phys. Status Sol. (b). 2007. V. 204.№ 5. P. 1255–1259.
7. Hsu E.M., Crawford T.H.R., Manders C., Botton G.A., Haugen H.K. Cross-sectional study of periodic surface structures on gallium phosphide by ultrashort laser pulse irradiation // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 92. P. 221112.
8. Shen M., Carey J.E., Crouch C.H., Kandyla M., Stone H.A., Mazur E. High-density regular arrays of nanometer-scale rods formed on silicon surfaces via femtosecond laser irradiation in water // Nanoletters. 2008. V. 8. № 7. P. 2087–2091.
9. Bonse J., Schturm H., Schmidt D., Kautek W. Chemical, morphological and accumulation phenomena in ultrashort-pulse laser ablation of TiN in air // Appl. Phys. A. 2000. V. 71. № 6. P. 657–665.
10. Okada T., Kawahara H., Ishida Y., Kumai R., Tomita T., Matsuo S., Hashimoto S., Kawamoto M., Makita Y., Yamaguchi M. Cross-sectional TEM analysis of laser-induced ripple structures on the 4H-SiC single-crystal surface // Appl. Phys. A. 2008. V. 92. P. 665–668.
11. Макин В.С., Воробьев А.Я. Универсальность универсальной поляритоннной модели лазерно-индуцированного разрушения конденсированных сред // Вестник Академии Инженерных наук. 2007. № 3. С. 456–468.
12. Ernstorfer E., Harb M., Hobeisen C.T., Sciaini G., Dartigalongue T., Miller R.J.D. The formation of warm dense matter: experimental evidence for electronic bond hardening in gold // Science. 2009. V. 323. P. 1033–1037.
13. Rozmus W., Tikhonchuk V.T. A model of ultra fast laser pulse absorption in solid targets // Phys. Plasmas. 1996. V. 3. P. 360.
14. Sundaram S.K., Mazur E. Inducing and probing nonthermal transitions in semiconductors using femtosecond laser pulses // Nature materials. 2002. V. 1. P. 217–224.
15. Макин В.С., Макин Р.С., Воробьев А.Я., Гуо Ч. Диссипативные наноструктуры и универсальность Фейгенбаума в неравновесной нелинейной системе металл – мощное поляризованное УКИ излучение // Письма в ЖТФ. 2008. Т. 34. В. 9.С. 55–64.
16. Марциновский Г.А., Шандыбина Г.Д., Смирнов Д.С., Заботнов С.В., Головань Л.А., Тимошен ко В.Ю., Кашкаров П.К. Ультракороткие возбуждения поверхностных поляритонов и волноводных мод в полупроводниках // Опт. и спектр. 2008. Т. 105. № 1. С. 75–81.
17. Novotny L. Effective wavelength scaling for optical antennas // Phys. Rev. Lett. 2007. V. 98. P. 266802.
18. Пестов Ю.И., Макин В.С. Изучение динамики лазерно-индуцированного формирования острийного выступа рельефа на поверхности кремния // Сборник трудов VIII международной конференции “Прикладная Оптика-2006”. СПб., 2006. Т. 2. С. 157–161.
19. Пестов Ю.И., Макин В.С. Лазерно-индуцированное формирование конусообразных выступов на поверхности сверхтугоплавких металлов // Оптический журнал. 2008. Т. 75. № 6. С. 34–42.
20. Weon B.M., Je J.H., Hwu Y., Margaritondo G. Decreased surface tension of water by hard-Xray irradiation // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 100. P. 217403.
21. Weon B.M., Je J.H. Ionization-induced surface tension reduction of water droplets // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 93. P. 244105.
22. Nayak B.K., Gupta M.C., Kolasinski K.W. Spontaneous formation of nanospiked microstructures in germanium by femtosecond laser radiation // Nanotechnology. 2007. V. 18. P. 195302 (1–4).
23. Reif J., Varlamova O., Costache F. Femtosecond laser induced nanostructure formation: selforganization control parameters // Appl. Phys. A. 2008. V. 92. P. 1019–1024.
24. Воробьев А.Я., Макин В.С., Гуо Чунле. Наноструктурирование поверхности металла и формирование резонансных микроструктур под действием фемтосекундных импульсов поляризованного излучения // Сборник трудов VIII международной конференции “Прикладная Оптика-2006”. СПб., 2006. Т. 2. С. 196–201.
25. Zhao Q.-Z., Malzer S., Wang L.-J. Self-organized tungsten nanospikes grown on subwavelength ripples induced by femtosecond laser pulses // Optics Express. 2007. V. 15. № 24. P. 15742–15746.
26. Vorobyev A.Y., Guo Chunlei, Makin V.S., Kokody N.G., Kuzmichev V.M. Extraordinary enhanced absorptivity of gold surface ablated with femtosecond laser pulses // Proc. SPIE. 2008. V. 7009. 700913-1-6.
Полный текст
Plasmon-polariton surface modes and nanostructuring of semiconductors by femtosecond laser pulses
V. S. Makin, Yu. I. Pestov, R. S. Makin, and A. Ya. Vorob'ev
This paper analyzes the published experimental data on the surface breakdown of semiconductors as a result of the action of a series of pulses of polarized femtosecond laser radiation, accompanied by the formation of regular and disordered micro- and nanostructures. The detected features of the ordered breakdown of transparent and opaque semiconductors and insulators are explained in terms of an extended universal polariton model of laser-induced breakdown of condensed media, including the excitation and interference of cylindrical surface plasmon-polaritons.
