Anomalous refinement and uniformization of grains in metallic thin films

去湿 材料科学 粒度 退火(玻璃) 奥斯特瓦尔德成熟 激光器 拉曼散射 金属 纳秒 薄膜 凝聚态物理 光学 纳米技术 复合材料 拉曼光谱 冶金 物理
作者
Lei Wang,S. Wang,Xiaofeng Wang,Jianming Zhang,Jianjie Dong,Bin Wei,Haiguang Yang,Zhongchang Wang,Ziyang Zhang,Chuan Fei Guo,Qian Liu
出处
期刊:Nano Research [Springer Nature]
卷期号:16 (12): 13358-13365
标识
DOI:10.1007/s12274-023-5902-9
摘要

Abstract When a laser beam writes on a metallic film, it usually coarsens and deuniformizes grains because of Ostwald ripening, similar to the case of annealing. Here we show an anomalous refinement effect of metal grains: A metallic silver film with large grains melts and breaks into uniform, close-packed, and ultrafine (∼ 10 nm) grains by laser direct writing with a nanoscale laser spot size and nanosecond pulse that causes localized heating and adaptive shock-cooling. This method exhibits high controllability in both grain size and uniformity, which lies in a linear relationship between the film thickness ( h ) and grain size ( D ), D ∝ h . The linear relationship is significantly different from the classical spinodal dewetting theory obeying a nonlinear relationship ( D ∝ h 5/3 ) in common laser heating. We also demonstrate the application of such a silver film with a grain size of ∼ 10.9 nm as a surface-enhanced Raman scattering chip, exhibiting superhigh spatial-uniformity and low detection limit down to 10 −15 M. This anomalous refinement effect is general and can be extended to many other metallic films.

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