Российские и белорусские физики первые в мире преодолели 100-нанометровый "психологический" барьер в лазерной записи периодических наноструктур.
Решая эту задачу, можно было поверить в мистику. В десятках физических лабораторий, разбросанных по земному шару, ученые сталкивались с одним и тем же явлением: воздействуя на поверхность твердых веществ с помощью лазерного излучения, не удавалось получить наноструктуры с периодом ниже 100 нанометров. Будто природа поставила здесь некий заслон, за которым находится самое интересное. Так потом и оказалось. А выяснили это сотрудники Физического института им. П.Н. Лебедева (ФИАН) в сотрудничестве с физиками из МГУ, БелГУ и ИОФ РАН. Для этого они использовали метод многоимпульсного воздействия фемтосекундным лазерным излучением на поверхность твердого тела.
Тысячелетиями самым коротким отрезком времени у всех народов считался миг - время, за которое глаз успевает один раз моргнуть. В XVIII веке подсчитали: чтобы моргнуть, глазу требуется меньше секунды. Миг, да и только. Двести лет спустя, с изобретением лазера, наука внесла свои коррективы в устоявшиеся научные терминологии. И теперь для физиков прадедовский миг - совсем не маленькая величина. А самая маленькая - фемтосекунда, на которой "работает" многоимпульсный наносекундный лазер, сегодняшний ключ к тайнам строения материи.
Фемтосекундный лазерный импульс действует словно пулемет - "обстреливает" изучаемую мишень серией ударов в фемтосекунду каждый. А фемтосекунда - это миллионная доля миллиардной доли обычной секунды. Она во столько раз меньше секунды, во сколько секунда меньше 32 миллионов лет. За одну фемтосекунду свет проходит расстояние всего в 0,3 микрона. Такая сверхкороткая длительность лазерного импульса позволяет создать весьма высокую локальную - во времени и пространстве - интенсивность воздействия светового излучения на вещество. В результате вещество твердой мишени постепенно разрушается. Однако за это время мишень успевает разрушиться лишь незначительно, а сам процесс разрушения может играть созидательную роль, создавая условия для образования у облучаемого вещества новых свойств.
- Раньше в однолучевых схемах записи поверхностных нанорешеток с помощью наносекундных лазеров получались структуры субмикронных масштабов, более 100 нанометров, - рассказывает старший научный сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Сергей Кудряшов. - Позднее, с использованием фемтосекундных импульсов, были получены наноструктуры с субволновыми, но все-таки субмикронными периодами, то есть опять-таки более 100 нанометров. И только при осуществлении процесса в жидкости нам впервые удалось преодолеть этот 100-нанометровый "психологический" барьер, разделяющий сферы нано- и микротехнологий. Периодические наноструктуры уже получены на титане, кремнии и алюминии с периодом 90 нанометров. Сейчас они активно изучаются, ученые выявляют общие закономерности для каждого материала. Но особенно интересным для изучения оказался механизм образования наноструктур на поверхности титана: структуры получаются все более мелкими при увеличении плотности энергии фемтосекундного лазерного импульса на поверхности металла.
- Обычно для того, чтобы получать более мелкие структуры, - комментирует Сергей Кудряшов, - поверхностную плотность энергии необходимо уменьшать. Однако при совсем маленьких плотностях энергии интенсивность процессов переноса вещества замедляется, поэтому создание наноструктур требует увеличения времени облучения, что, в свою очередь, влечет за собой удорожание технологии. Таким образом, процесс образования наноструктур со все меньшим и меньшим периодом значительно усложняется. Но только не для титана - получать структуры с меньшим периодом для него оказалось легче.
Уменьшение периода образующихся наноструктур при увеличении плотности энергии фемтосекундного лазерного излучения на сухой поверхности титана представляет значительный интерес для дальнейших исследований. Это связано с тем, что титан является одним из базовых материалов аэрокосмической техники и медицинских имплантов, и наномодификация его поверхности может не только существенно изменить в нужную сторону его уже известные свойства, но и, возможно, придать ему свойства новые, необычные, о которых наука сегодня и не мечтает.