基于相场模型的飞秒激光控制硅基表面成型方法研究

发布时间：2020-04-27 10:58

【摘要】：微悬臂梁探针因其特有的机械、电子以及光学性能,被广泛的应用在微传感器以及原子力显微镜等领域。微悬臂梁探针是通过控制硅基表面形态来实现制造的,当前,微悬臂梁探针多采用低压化学蒸汽沉积、溅射以及化学腐蚀等方法进行制备。然而上述方法均存在成型不稳定,制造工序复杂,成型效率低等问题。基于此,本论文提出利用飞秒激光控制硅基表面形态,通过改变硅基表面长径比来控制表面形态,从而丰富微悬臂梁探针的制造方法。本论文主要从理论模型推导、数值模拟仿真以及实验验证等方面研究飞秒激光控制硅基表面形态。首先,基于相场模型推导硅基表面形态飞秒激光控制的理论模型,针对该模型进行数值模拟仿真计算。其次,进一步研究各控制参数对于硅基表面形态成型的控制规律。最后,对飞秒激光控制表面形态的相场模型理论进行相应的实验验证。论文的主要研究内容如下:(1)开展硅基表面形态飞秒激光控制的相场模型研究。首先,根据飞秒激光照射硅基板诱导硅原子发生热扩散运动的机理,建立相应的相场模型框架。其次,探讨硅原子在温度场中势能变化的情况。研究表明,变化的势能将产生驱动力并迫使硅原子由温度低的位置向温度高的位置进行迁移。最后,根据相场模型推导飞秒激光控制硅基表面形态的数学模型。(2)基于相场模型理论,重点研究各控制参数对于硅基表面形态的成型规律。在相场模型中模拟出硅基表面形态的演化过程,并研究对应的成型规律。基于相场模型的数值模拟仿真,研究飞秒激光的功率、被照射材料的导热率以及悬臂梁接触材料的导热性对于硅基表面形态长径比的影响。针对硅基表面形态长径比的变化情况,研究其成型规律,为控制成型高长径比的微悬臂梁探针奠定基础。(3)针对飞秒激光照射硅基表面形态的相场模型数值模拟仿真,展开对应的实验研究。实验表明,在相同的飞秒激光参数下,实验成型的硅基表面形态与相场模型模拟的表面形态在形貌以及长径比上保持基本一致。从而验证飞秒激光控制硅基表面形态的数值模拟仿真正确性。
【图文】：

示意图,微悬臂梁,微传感器,原子力显微镜

型机电系统（ＭＥＭＳ，Ｍｉｃｒｏ－Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ邋Ｓｙｓｔｅｍ）中的微型传感器都是采用逡逑微纳米尺寸的硅基板进行制造的。这些功能强大的微型机电系统被广泛的应用在微逡逑机器人以及微飞行器领域。如图１．１所示的是一个微型的质量传感器［１，２］，可以用逡逑来测量细菌的质量，其测量精度可达到１０＿１８ｇ。而对于图１．２所示的是应用原子力逡逑显微镜探测物体表面的示意图。逡逑￣ＰＬＬ邋＾ｉ＇ｉ￣邋￣邋＾逦ｊ／邋／邋光电检测逦？逡逑；Ｒ单元N：逡逑＾逦５邋ｖＬ，邋本激光＼逦／逡逑！逦＊逦Ｌ逦Ｊ逦＼邋／邋桂基板逡逑一细胞逡逑Ｉ逦逦逦邋Ｉ逡逑Ｉ逦一逦逦Ｉ逡逑Ｉ逦Ｉ逡逑图］．１测量病变细胞质量的传感器示意图逦图１．２原子力显微镜检测表面示意图逡逑微悬臂梁探针是微传感器当中最为至关重要的组成部分，一般多采用低压化学逡逑蒸汽沉积、化学腐蚀以及溅射等技术［３］进行制备。上述这些技术存在着实验设备昂逡逑贵，制造工序极其复杂且成型效率低等一系列缺点。现有技术存在的缺陷一定程度逡逑上抑制了微悬臂梁在传感器领域内的应用发展。逡逑进入二十一世纪以来，飞秒激光脉冲凭借其超短脉宽和超强的瞬时功率等优势，逡逑Ｉ逡逑

表面形态,能量密度,金属,飞秒激光

一般对于微纳米硅基板的表面成型多采用离子刻蚀以及化学腐蚀进行制备，但逡逑上述制造方法的缺陷在于成型的表面形态过于简单，没有太高的实用价值。本文基逡逑于上述的缺陷，提出利用飞秒激光控制多样性的硅基表面形态。其中关于硅基表面逡逑形态激光热效应成型以及硅基表面形态应用的研究现状如下所述。逡逑１．２．］硅基表面形态成型研究逡逑二十世纪六十年代Ｂｉｒｎｂａｕｍ等人首次米用飞秒激光对半导体材料的上表面逡逑进行照射，在高性能显微镜下观察到周期性表面微形态。上述是关于飞秒激光控制逡逑表面形态的首次实验研究。上述的研宄在公开发表的数年间，引起了大量研究人员逡逑针对飞秒激光照射半导体这一实验现象进行研宄，其主要的研宄内容是把被照射材逡逑料由半导体材料换成其它的材料，例如金属材料或者非金属材料。二十一世纪初期，逡逑Ｂｏｒｏｗｉｅｃ团队Ｗ在半导体磷化铟的上表面成型出频率较高的周期性表面形态。同一逡逑时期，Ｊｉａ等人＾仍然用飞秒激光在金属合金硒化锌表面成型出纳米数量级的光栅逡逑结构。在国内，Ｚｈａｎｇ等人［ＩＱ］以一定的扫描频率让飞秒激光照射硅基板，通过改变逡逑飞秒激光的能量密度以及扫描频率在硅基板上成型出线状和面状的表面形态阵列。逡逑２０１３年，，Ｂｏｎｓｃ等人采用飞秒激光通过尝试不同的加工参数以及不同的加逡逑工环境等特定条件在金属钛表面形成小于ｌ00ｎｍ的波纹结构，上述的研究从原先逡逑
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB306;TP212;TN249

【参考文献】