3D fs-laser nanolithography of YAG crystals: Longitudinal and transversal writing and observation of different phases of crystalline modification.

Abstract

Ultrafast laser nanolithography of materials is an area of material development and modification that uses laser pulses with very short durations in order to cause modifications inside a material. It is an important subject of research related to diverse fields, ranging from photonics to microbiology. In this end of degree project, the aim was to study the effect of the variation of a few key parameters in the final outcome of the fabrication of different structures of particular relevance, namely planes, disks and 2D arrays of nanopores. To this purpose, the structures were etched into yttrium-aluminium garnet (YAG) crystals using a combination of femtosecond laser writing and wet etching, and then studied using primarily scanning electron microscopy (SEM). The analysis provided confirmation of known results, as well as new information about the difficulties faced in the fabrication of these structures, such as the appearance of a solid phase within the YAG that was unaffected by the wet-etching for high enough laser power and pulse dose. It also provided examples of both transversal and longitudinal writing, and the differences between them. Finally, in the conclusions section, some possible continuations to these lines of research are proposed.

La nanolitograf´ıa l´aser ultrarr´apida de materiales es un ´area de desarrollo y modificaci´on de materiales que utiliza pulsos l´aser de muy corta duraci´on para provocar modificaciones en el interior de un material. Es un importante tema de investigaci´on relacionado con diversos campos, que van desde la fot´onica a la microbiolog´ıa. En este proyecto fin de carrera, el objetivo era estudiar el efecto de la variaci´on de unos pocos par´ametros clave en el resultado final de la fabricaci´on de diferentes estructuras de especial relevancia, a saber, planos, discos y matrices 2D de nanoporos. Para ello, las estructuras se grabaron en cristales de granate de itrio y aluminio (YAG) mediante una combinaci´on de escritura por l´aser de femtosegundos y ataque qu´ımico, y luego se estudiaron utilizando principalmente microscop´ıa electr´onica de barrido (SEM). El an´alisis confirm´o resultados ya conocidos y aport´o nueva informaci´on sobre las dificultades encontradas en la fabricaci´on de estas estructuras, como la aparici´on de una fase s´olida dentro del YAG que no se vio afectada por el ataque qu´ımico para potencia del l´aser y dosis de pulsos suficientemente altas. Tambi´en se ofrecen ejemplos de escritura transversal y longitudinal, as´ı como las diferencias entre ambas. Finalmente, en el apartado de conclusiones, se proponen algunas posibles continuaciones a estas l´ıneas de investigaci´on.