飞秒激光诱导硅表面微纳结构几何形貌调控实验研究.doc 全文免费在线阅读

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网友小博士近日为您收集整理了关于飞秒激光诱导硅表面微纳结构几何形貌调控实验研究的文档，希望对您的工作和学习有所帮助。以下是文档介绍：飞秒激光诱导硅表面微纳结构几何形貌调控实验研究第1章绪论1.1.表面微/纳米结构研究的背景意义自然界中生物经过亿万年的进化具备了令人叹为观止的能力和功能,比如色彩斑斓的昆虫世界,五颜六色的孔雀羽毛和蝴蝶翅膀;水中游来游去的小鸭子却不会打湿自身的羽毛,水面上自由滑行的水黾却不会浸湿腿脚;蚊子的复眼从不会被雾气或水气覆盖;荷花生长在充满污垢的池塘,而自身却清洁示人;壁虎、章鱼、蜘蛛、蚂蚁它们不仅能在垂直墙壁上运动自如,而且能在天花板上停留和爬行,地球引力对它们似乎没什么影响。经科研人员研究发现,自然界生物这些超常能力和功能都源自其表面具有的不同形貌特征的微/纳米结构,这对于人类开发材料表面功能的研究是具有重要的借鉴意义。科学工作者认为只要在材料表面上制备出类似的微/纳米结构就可能使其某一种或者多种功能得到极大改善,如图1-1所示荷叶表面自清洁、超疏水功能特性为防水材料的研究提供了依据[1,2];图1-2所示壁虎脚超强黏附、脱附功能[3,4]可以成为爬墙机器人的研究基础,这种机器人可以应用在消防、军事等领域;图1-3所示鲨鱼鳞片表面的减阻性能研究能够为游泳运动员提高成绩提供帮助[5-7],同时在船舶制造业有着巨大的应用价值以及图1-4所示蝴蝶翅膀表面微/纳米结构[8]改变光学吸收性能的研究为太阳能电池的研究发展提供技术支持[9]。由此可见,表面微/纳米结构的制备与几何形貌特征调控的实验研究可以极大改善材料自身的超疏水自清洁、超黏附脱附、超浸润减阻和光学吸收等性能。这些性能对地下管道的防腐、机器人的攀附、船舶提高航速和太阳能的高效利用等诸多领域的应用有着巨大的潜力。诺贝尔奖获得者保利曾经提到:上帝创造了固体,但表面就是魔鬼的杰作。制备材料表面微/纳米结构及调控几何形貌特征的研究对科学技术的发展尤为重要,需要多学科、多领域的技术支持,已经逐渐成为国内外诸多领域的研究热点。1.2.制备表面微/纳米结构方法制备材料表面微/纳米结构,即通过某种方法在原材料表面上形成具有某种特定形状的基本结构单元,并且这种基本结构单元的尺寸要控制在微米甚至纳米量级。有以下两种基本方法可以在材料表面上实现这种基本结构单元的制备[12]。一种是基于生长的自下而上Bottomup)的方法,即在原有的结构上通过某种方法生长出新结构。另一种是基于去除的自上而下Topdown)的方法,即在原材料表面这个大片的结构上去除掉一定的结构,留下目标结构,形成基本的微/纳米结构单元。自下而上的方法是可以在原有的结构表面上形成新的结构单元,也可以是在材料表面上通过自身生长、变化或化学反应的方式形成新的结构,代表性的工艺在纳米制造技术领域称之为“Bottomup方法”。如图1-5所示,清华大学范守善教授与美国斯坦福大学StanfordUniversity)Chapline博士合作,首先利用半导体工业中的紫外光光刻技术制备出一定形状的催化剂岛,然后利用化学气相沉积方法(ChemicalVaporDeposition,CVD)生长出排列整齐的碳纳米管阵列图案,这种规则阵列结构有很好的场发射性能,有望应用于场发射平板显示器[13];这种化学气相沉积生长表面微/纳米结构就是典型的自下而上方法。自下而上方法还能够组装出更小的具有纳米尺度的物质结构,如图1-6所示的电极间单壁碳纳米管的准直生长[14,15];当然,这种在纳米催化剂颗粒分子甚至原子的基础上进行新材料的生成方法目前还有很多技术难题,比如:如何高效的合成准直的碳纳米管,单元器件的集成方法和技术,集成后与外部器件的连接技术等,距离实际应用尚有大量的研究需要突破。第2章飞秒激光诱导硅表面亚微米光栅结构2.1.飞秒激光技术简介1960年,第一台脉冲激光问世,脉宽达到了几百微秒[17]。1961年,Hellwarth利用调Q技术将脉宽降低了四个数量级,达到了10纳秒(Nanosecond,ns)。1966年,DeMaria等人利用宽增益的染料激光介质实现了锁模技术,这为激光脉宽进一步压缩提供了技术支持[77]。20世纪70年代,Froehly等研究人员在环形染料激光器中利用碰撞锁模技术,使得激光脉冲宽度达到了飞秒量级[78]。经过十年的研究,美国贝尔实验室于80年代中期使得碰撞锁模染料激光器的脉冲宽度压缩至27飞秒[79]。1987年,Shank课题组运用腔外压缩三次相位补偿技术将脉冲宽度进一步压缩为6飞秒[80],1990年,麻省理工大学利用被动锁模技术研制出掺钛Ti:sapphire)飞秒激光器[81]。随着宽带调谐增益介质-掺钛蓝宝石(Ti3+:Al2O3)的发展和克尔透镜锁模(KML)或自锁模(SML)技术的出现[82],固态飞秒振荡器得到了突飞猛进的发展和应用,与此同时,伴随着啁啾脉冲放大技术CPA)的发展[83],飞秒激光的重复频率(kHz)与单脉冲能量(mJ)都得到显著提高。直到今天,飞秒激光器都首选掺钛蓝宝石作为工作介质,因为其具有高可靠性,使用方便等优点,其发展演化趋势如图2-1所示。近年来,很多科学工作者致力于更短的脉冲激光研制。德国马克思-普朗克量子光学研究所的科学家近日成功研制出世界最快的阿秒激光脉冲,脉宽仅为80阿秒,该技术可用来观察较大原子的周围电子运动概率及捕捉超快激光脉冲的影像[84]。..2.2.飞秒激光加工系统飞秒激光加工系统的光路如图2-9所示。本文所开展的飞秒激光诱导硅表面微/纳米结构研究主要用到了图2-9b)所示的红色的主光路和经过脉冲整形器的子光路。所以课题研究中所涉及的加工系统主要由以下几部分组成:1.飞秒激光系统;2.高精度六维电控移动平台;3.D实时观测);4.计算机控制系统组成;5.脉冲整形器,其中脉冲整形器可以对子脉冲数、脉冲间隔、脉冲能量分布等参数进行调制,将在第五章的研究中详细介绍。这里先介绍其他四大组成部分。利用这段波长连续范围内的光的空间相干来获得时间上的极大压缩,从而实现飞秒量级的激光脉冲输出。飞秒激光系统部结构图以及主要规格指标参数如图2-11所示。而飞秒激光放大系统则为钛蓝宝石再生激光放大系统,型号为SpitfirePro5W,在4.2W泵浦源的条件下,稳定输出功率为560mW,频率为80MHz,输出激光中心波长为800纳米。经过放大级的飞秒激光最小脉宽约为35飞秒。实验所用的飞秒激光重复频率为1千赫兹。飞秒激光器放大级的内部结构图及其规格指标参数如图2-12所示。第3章飞秒激光诱导硅表面“十字型”....473.1.“十字型”表面周期结构........473.2.“十字型”表面周期结构形成条件.......523.3.飞秒激光偏振对“十字型”表面周期结构的调控........563.4.“十字型”表面周期结构形成的潜在机理研究.......563.5.本章小结...........60第4章飞秒激光诱导硅表面单脉冲烧蚀弹坑.....614.1.飞秒激光单脉冲诱导

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