飞秒激光在ITO薄膜表面诱导周期性透明纳米导线

使用线偏激光照射金属、半导体、透明介质等材料产生表面周期结构（laser induced periodic surface structures，LIPSS）是一种普遍的现象，LIPSS的周期取决于激光条件和材料的性质，在接近入射激光波长到小于波长的十分之一范围变化。这些周期性纳米结构可用于有效地改变材料的性质，并在表面着色、光电特性调控、双折射和表面润湿性等方面有许多应用。

氧化铟锡（indium tin oxide，ITO）具有较宽的带隙，对可见光与近红外波段有很高的透射率，ITO薄膜具有较低的电阻率，是液晶面板、新型太阳能电池等元件的重要组成部分。一直以来，发展制备ITO薄膜的新方法，调控ITO薄膜的光电特性是非常重要的研究课题，而在激光加工领域，使用激光在ITO薄膜诱导LIPSS是一个有效且简便的方法。

如图1，原始ITO薄膜的面电阻各向同性。随着激光能流密度的增加，垂直和水平于LIPSS方向的面电阻迅速增加且变化梯度不同，出现了明显的各向异性导电性，当ITO薄膜表面出现规则且独立的LIPSS结构以后，在一定能流密度范围，ITO薄膜能够在不同方向上显现出单向导电/绝缘的电学特性。

图1 扫描速度为3 mm/s时，不同能流密度激光辐照后ITO薄膜的面电阻。图中给出了电学测量中横向（Transverse）与纵向（Longitudinal）的定义

通过调节激光的能流密度，可以在一个较大的范围内制备出不同形貌的纳米导线（LIPSS）。图2（a）展示了不同能流密度的飞秒激光加工的纳米导线扫描电镜图像。在能流密度上升的过程中，纳米导线的宽度从537 nm降低到271 nm。纳米导线的高度从平均220 nm降低到142 nm，如图2（b）所示。纳米导线的单位电阻随着能流密度的上升从15 kΩ/mm上升到73 kΩ/mm，这是由于纳米导线的宽度与高度都在同步下降造成的，如图2（c）。

图 2 （a）不同能流密度下的纳米导线的扫描电镜图像；（b）纳米导线的高度与宽度随着能流密度的变化情况；（c）纳米导线的单位电阻与电阻率随着能流密度的变化情况

如图3，原始厚度为185 nm的ITO薄膜在1200~2000 nm的近红外光谱范围内的平均透射率为21.31%。经过飞秒激光直写后，当能流密度在0.510~ 0.637 J/cm2的范围内，ITO薄膜对于近红外的透过率达到54.48%~63.38%，相较原始的ITO薄膜得到了156%~197%的提高。同时，飞秒激光直写后的ITO薄膜在可见光波段的透过率略微提高且曲线较为平滑。通过调节激光的能流密度，ITO薄膜在近红外的透过率能够得到显著提高，并且能够保持较好的导电性。

图 3 扫描速度为3 mm/s时，不同能流密度激光直写后的ITO薄膜的透射率。在0.637 J/cm2时红外波段（1200~2000 nm）透过率为63.38%

该工作近期以“Periodic transparent nanowires in ITO film fabricated via femtosecond laser direct writing”为题发表在Opto-Electronic Science （光电科学）。