Разработан метод формирования высокоупорядоченных 2D-структур на титане для перспективных применений в сенсорике, оптоэлектронике и волоконной оптике

Учёные из ведущих российских научных центров, включая ИАиЭ СО РАН, разработали безабляционный метод создания высокоупорядоченных двумерных наноструктур на титане с помощью фемтосекундного лазера, открыв новые возможности для сенсорики, волоконной оптики и перестраиваемой фотоники.

Коллектив исследователей из ведущих российских научных учреждений разработал перспективный метод создания высокорегулярных двумерных (2D) наноструктур на титановых пленках. Результаты работы опубликованы в высокорейтинговом журнале Surface and Interfaces (Q1, I.F.= 6.3). Подход основан на эффекте формирования термохимических лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур (TЛИППС), который наблюдается в области воздействия сфокусированного лазерного излучения сверхкороткой длительности импульсов на поверхность различных материалов и в последнее время исследуется многими научными группами. В отличие от традиционных лазерных методов формирования таких структур, основанных на абляции или плавлении материала, которые могут приводить к загрязнению поверхности и, соответственно, к дефектам в структурах, в разработанном подходе используется лазерно-стимулированная химическая реакция окисления. Сверхкороткие лазерные импульсы фемтосекундной (фс) длительности позволяют локально нагревать поверхность титана до высоких температур, при которых происходит стремительное окисление металла с формированием диоксида титана (TiO₂) в виде высокоупорядоченных структур. При этом конфигурация 2D структур определяется как направлением поляризации воздействующего лазерного фс излучения, так и направлением сканирования, открывая возможность для контролируемого формирования различных типов структур с квадратной, гексагональной и ромбовидной геометрией, имеющих характерный период менее 700 нм (при воздействии лазерного излучения с длиной волны 1 мкм). Особенностью метода является использование слабо сфокусированного астигматического лазерного пучка с поперечным размером более 150 мкм, что с одной стороны позволяет одновременно формировать большое количество (>200) периодов структур, т.е. выполнять высокопроизводительную обработку, а с другой стороны, производить структурирование как плоских, так и искривленных поверхностей различных оптических элементов.

Кроме того, авторами была предложена комплексная теоретическая модель процесса формирования структур, которая подтверждает наблюдаемые зависимости характеристик структур от основных экспериментальных параметров, и, соответственно, позволяет проводить предикативный дизайн требуемых структур.

Исследовательская группа также продемонстрировала несколько практических применений разработанного метода формирования 2D наноструктур: создание дифракционных элементов, которые были непосредственно записаны на торцах стандартных оптических волокон для потенциального применения в волоконных датчиках, компактных спектрометрах и волоконных устройствах ввода/вывода излучения. Продемонстрировано, что высокоупорядоченные 2D структуры могут применяться в качестве маски, а также массива микролинз для лазерного наноструктурирования различных материалов с высокой регулярностью, в частности фазопеременных материалов (Ge₂Sb₂Te₅), что актуально, например, для создания передовых элементов перестраиваемой фотоники. Кроме того, показано, что высокоупорядоченные 2D структуры могут служить шаблоном для создания упорядоченных массивов золотых наночастиц, сформированных за счет термической коалесценции тонких плёнок, которые могут применяться во многих областях, например, в поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии для детектирования сверхмалых концентраций аналитов.

«Эта работа является очередным шагом в направлении развития передовых методов лазерного наноструктурирования материалов и логическим продолжением цикла работ, выполняемых в рамках проекта РНФ "Перспективные режимы формирования субволновых лазерно-индуцированных периодических структур фемтосекундным излучением", который в этом году получил поддержку Фонда и был продлен на 3 года. Переход от 1D к контролируемому формированию высокоупорядоченных 2D структур с различной геометрией посредством безабляционного термохимического процесса открывает широкие возможности по созданию более сложных функциональных поверхностей для перспективных применений в сенсорике, оптоэлектронике и волоконной оптике», — рассказал руководитель проекта Александр Достовалов, один из авторов исследования.

gugudhjdb

Рис. Методика формирования высокоупорядоченных 2D структур на пленках титана (а), результаты моделирования (b) и СЭМ-изображения полученных структур. Примеры применения 2D-структур с различной геометрией в волоконной оптике (d), в качестве шаблоном для создания упорядоченных массивов золотых наночастиц (e), для лазерного наноструктурирования различных материалов с высокой регулярностью, в частности фазопеременных материалов (Ge₂Sb₂Te₅) (f).

Об исследовательской группе: совместная работа выполнена учеными из Института автоматики и электрометрии СО РАН, Новосибирского государственного университета, Университета ИТМО, Национального исследовательского университета «МИЭТ», Института автоматики и процессов управления ДВО РАН и Дальневосточного федерального университета. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (№ 21-72-20162-П).

Fedyaj V. Formation of 2D laser-induced periodic surface structures on titanium films with femtosecond laser pulses // Surfaces and Interfaces. 2025. Т. 78. DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfin.2025.108162