飞秒激光诱导硅表面微纳结构几何形貌调控实验研究

发布时间：2016-11-24 05:28

  本文关键词：飞秒激光诱导硅表面微纳结构几何形貌调控实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

《北京理工大学》 2015年

飞秒激光诱导硅表面微纳结构几何形貌调控实验研究

纪煦  

【摘要】：自然界的奇妙现象如五颜六色的蝴蝶翅膀、色彩斑斓的孔雀羽毛和出污泥而不染的荷花等为人类提供了灵感。科研人员研究发现这些现象都与其表面组成结构有关，当物体表面具有规则有序的微/纳米结构时，就可以改变材料的光学、浸润、自清洁等性能。这些性能对实现太阳能的高效利用、特定频率波吸收、金属材料的防腐、自清洁、固体表面润滑等诸多领域的应用有着巨大的潜力。因此，探索实用高效的表面微/纳米结构制备技术及调控其形貌特征是非常重要的工作。 表面微/纳米结构制造有多种方法，近年来，随着激光技术的发展，尤其是超快飞秒激光的诞生，推动了激光在表面微/纳米结构制造领域的飞速发展。飞秒激光加工具有精度高、裂纹少、热影响区小等优势，使其成为表面微/纳米制造领域极具潜力的制备技术之一。飞秒激光加工材料过程中，脉冲宽度小于电子-晶格弛豫时间(10-10～10-12s)，材料对激光能量的吸收发生在晶格变化之前，使电子与晶格处于高度非平衡状态，这种非平衡、非线性效应使飞秒激光微/纳米制造机理完全不同于传统制造技术。飞秒激光加工材料的过程取决于光子与材料电子的相互作用，因此，可以通过飞秒激光加工过程中对电子动态特性的调控来实现材料加工形貌的控制。 由于飞秒激光在微/纳米制造技术中独特的加工机理，其加工过程一直被研究，相关科研工作也逐步展开。但对于飞秒激光诱导微/纳米结构的形成机制及形貌特征的调控还缺乏系统的实验研究。本文开展飞秒激光诱导硅表面微/纳结构几何形貌调控的研究，在硅表面获得了多种不同形貌特征的微/纳米结构，并尝试探讨了它们的形成机制，同时设计飞秒激光脉冲光束时空整形调控硅表面局部电子状态特性获得不同的微/纳米结构烧蚀形貌，为进一步开展飞秒激光可控制备表面微/纳米结构研究奠定了基础。全文的主要研究内容与创新性如下： （1）利用飞秒激光在硅表面制备出大面积亚微米级光栅结构，相对于传统的光刻技术不需要掩膜，省去了复杂的掩膜制作工艺，使得光栅结构的制备更加简单。同时利用水辅助的加工方法，获得周期更小的光栅结构，周期约为150纳米。光栅结构拥有精度高、均一性好的特点，能够很大程度降低表面反射率，提高可见光的吸收率，可以在太阳能电池中得到应用。 （2）优化飞秒激光参数诱导硅表面周期性结构，在低脉冲数条件下，飞秒激光在硅表面诱导出“十字型”周期结构。这是在硅表面上发现的一种全新的微/纳米结构，由相互垂直的两类表面周期性结构组成。一类表面周期性结构垂直于激光的偏振方向，分布于整个激光烧蚀区域，周期为780纳米，接近于激光的波长；另一种周期性结构平行于激光偏振方向，分布于相邻的两个垂直于激光偏振方向的周期性结构之间，周期约为激光的半波长390纳米。两种周期结构构成了一个亚微米级方形孔，孔的长约为390纳米，宽约为190纳米，取决于两种周期结构的周期大小。“十字型”表面周期结构对激光能量和脉冲个数有很强的敏感性，其几何形貌也受到激光偏振方向的影响。利用有限元技术数值模拟解释了可能存在的形成机理，模拟表明硅表面的初始烧蚀结构重新分布了表面电场强度和多脉冲的累积效应是产生这种“十字型”表面周期性结构的重要因素。 （3）飞秒激光单点激发硅表面所形成烧蚀弹坑几何形貌的研究，研究发现激光偏振和激光能量对其弹坑形貌有很强的调控特性。沿着激光偏振方向，弹坑的烧蚀区域被拉长，形成了椭圆形弹坑，即椭圆形的主轴始终平行于激光偏振。随着激光能量的增加，，烧蚀区域也在增加，同时，弹坑的形貌由椭圆形变成近圆形形貌。这种形貌有很强的偏振依赖性。基于时域有限差分方法模拟其场强分布，发现场强局域在弹坑内部，沿着偏振方向有增强效应，然而，垂直偏振方向场强很弱。这种增强的场强操控局域瞬时电子动态密度，导致表面烧蚀结构在偏振方向上有增加趋势，因此产生椭圆形弹坑，这种影响随能量增加而减弱，即椭圆形弹坑逐渐变成了近圆形弹坑。 （4）基于局部瞬时电子状态特性研究了脉冲序列延时和空间光束整形对硅表面烧蚀几何形貌的调控。当脉冲序列整形成为双子脉冲时，脉冲通量分别为9.5J/cm2和3.5J/cm2，单点单次激发硅片，随着子脉冲延时增加所形成的弹坑底部形貌由尖底变成平底，延时在2500飞秒底部变得更加平整。弹坑的尺寸随延迟也有所变化，当脉冲延迟小于1皮秒时，弹坑烧蚀深度和烧蚀直径呈现振荡递减趋势，而重铸层尺寸是在一定范围内呈现振荡变化趋势。当延时大于1皮秒时，烧蚀深度和重铸层高度基本保持单调递减，而烧蚀直径和重铸层宽度基本保持不变。当增加子脉冲数量时，弹坑的烧蚀深度和烧蚀直径减小。双子脉冲和三子脉冲序列多次激发硅片时，烧蚀区域的深度和直径随脉冲延时有衰减的趋势，双子脉冲三次激发在延时为200和600飞秒时烧蚀深度有所增强。三子脉冲三次激发时只在500-600飞秒之间有所增强。我们认为这种现象的发生是由于脉冲序列调节了自由电子密度从而导致光子-电子共振效应增强和相变机理的转化而引起。最后我们利用空间光束整形的方式对硅表面进行单脉冲激发。当光束整形成多个子光束烧蚀硅表面时，辐照区域的局部瞬时电子状态特性发生剧烈改变，形成相对应光束整形图案的烧蚀形貌。 本论文研究内容来源于以下科研项目：科技部“973”计划项目“激光微纳制造新方法和尺度极限基础研究（项目编号：2011CB013000）”；国家自然科学基金委“纳米制造的基础研究”重大研究计划集成项目，项目编号91323301；以及国家自然科学基金杰出青年项目“激光微纳制造（项目编号：51025521）”。 本文的主要创新成果均发表在应用表面科学、应用光学等国际杂志上，其中本人第一作者SCI检索论文2篇，在审论文1篇。

【关键词】：
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN249
【目录】：

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