本文關(guān)鍵詞：飛秒激光誘導硅表面微納結(jié)構(gòu)幾何形貌調(diào)控實驗研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《北京理工大學》 2015年

飛秒激光誘導硅表面微納結(jié)構(gòu)幾何形貌調(diào)控實驗研究

紀煦  

【摘要】：自然界的奇妙現(xiàn)象如五顏六色的蝴蝶翅膀、色彩斑斕的孔雀羽毛和出污泥而不染的荷花等為人類提供了靈感�？蒲腥藛T研究發(fā)現(xiàn)這些現(xiàn)象都與其表面組成結(jié)構(gòu)有關(guān)，當物體表面具有規(guī)則有序的微/納米結(jié)構(gòu)時，就可以改變材料的光學、浸潤、自清潔等性能。這些性能對實現(xiàn)太陽能的高效利用、特定頻率波吸收、金屬材料的防腐、自清潔、固體表面潤滑等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用有著巨大的潛力。因此，探索實用高效的表面微/納米結(jié)構(gòu)制備技術(shù)及調(diào)控其形貌特征是非常重要的工作。 表面微/納米結(jié)構(gòu)制造有多種方法，近年來，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，尤其是超快飛秒激光的誕生，推動了激光在表面微/納米結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域的飛速發(fā)展。飛秒激光加工具有精度高、裂紋少、熱影響區(qū)小等優(yōu)勢，使其成為表面微/納米制造領(lǐng)域極具潛力的制備技術(shù)之一。飛秒激光加工材料過程中，脈沖寬度小于電子-晶格弛豫時間(10-10～10-12s)，材料對激光能量的吸收發(fā)生在晶格變化之前，使電子與晶格處于高度非平衡狀態(tài)，這種非平衡、非線性效應(yīng)使飛秒激光微/納米制造機理完全不同于傳統(tǒng)制造技術(shù)。飛秒激光加工材料的過程取決于光子與材料電子的相互作用，因此，可以通過飛秒激光加工過程中對電子動態(tài)特性的調(diào)控來實現(xiàn)材料加工形貌的控制。 由于飛秒激光在微/納米制造技術(shù)中獨特的加工機理，其加工過程一直被研究，相關(guān)科研工作也逐步展開。但對于飛秒激光誘導微/納米結(jié)構(gòu)的形成機制及形貌特征的調(diào)控還缺乏系統(tǒng)的實驗研究。本文開展飛秒激光誘導硅表面微/納結(jié)構(gòu)幾何形貌調(diào)控的研究，在硅表面獲得了多種不同形貌特征的微/納米結(jié)構(gòu)，并嘗試探討了它們的形成機制，同時設(shè)計飛秒激光脈沖光束時空整形調(diào)控硅表面局部電子狀態(tài)特性獲得不同的微/納米結(jié)構(gòu)燒蝕形貌，為進一步開展飛秒激光可控制備表面微/納米結(jié)構(gòu)研究奠定了基礎(chǔ)。全文的主要研究內(nèi)容與創(chuàng)新性如下： （1）利用飛秒激光在硅表面制備出大面積亞微米級光柵結(jié)構(gòu)，相對于傳統(tǒng)的光刻技術(shù)不需要掩膜，省去了復雜的掩膜制作工藝，使得光柵結(jié)構(gòu)的制備更加簡單。同時利用水輔助的加工方法，獲得周期更小的光柵結(jié)構(gòu)，周期約為150納米。光柵結(jié)構(gòu)擁有精度高、均一性好的特點，能夠很大程度降低表面反射率，提高可見光的吸收率，可以在太陽能電池中得到應(yīng)用。 （2）優(yōu)化飛秒激光參數(shù)誘導硅表面周期性結(jié)構(gòu)，在低脈沖數(shù)條件下，飛秒激光在硅表面誘導出“十字型”周期結(jié)構(gòu)。這是在硅表面上發(fā)現(xiàn)的一種全新的微/納米結(jié)構(gòu)，由相互垂直的兩類表面周期性結(jié)構(gòu)組成。一類表面周期性結(jié)構(gòu)垂直于激光的偏振方向，分布于整個激光燒蝕區(qū)域，周期為780納米，接近于激光的波長；另一種周期性結(jié)構(gòu)平行于激光偏振方向，分布于相鄰的兩個垂直于激光偏振方向的周期性結(jié)構(gòu)之間，周期約為激光的半波長390納米。兩種周期結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一個亞微米級方形孔，孔的長約為390納米，寬約為190納米，取決于兩種周期結(jié)構(gòu)的周期大小�！笆中汀北砻嬷芷诮Y(jié)構(gòu)對激光能量和脈沖個數(shù)有很強的敏感性，其幾何形貌也受到激光偏振方向的影響。利用有限元技術(shù)數(shù)值模擬解釋了可能存在的形成機理，模擬表明硅表面的初始燒蝕結(jié)構(gòu)重新分布了表面電場強度和多脈沖的累積效應(yīng)是產(chǎn)生這種“十字型”表面周期性結(jié)構(gòu)的重要因素。 （3）飛秒激光單點激發(fā)硅表面所形成燒蝕彈坑幾何形貌的研究，研究發(fā)現(xiàn)激光偏振和激光能量對其彈坑形貌有很強的調(diào)控特性。沿著激光偏振方向，彈坑的燒蝕區(qū)域被拉長，形成了橢圓形彈坑，即橢圓形的主軸始終平行于激光偏振。隨著激光能量的增加，，燒蝕區(qū)域也在增加，同時，彈坑的形貌由橢圓形變成近圓形形貌。這種形貌有很強的偏振依賴性�；跁r域有限差分方法模擬其場強分布，發(fā)現(xiàn)場強局域在彈坑內(nèi)部，沿著偏振方向有增強效應(yīng)，然而，垂直偏振方向場強很弱。這種增強的場強操控局域瞬時電子動態(tài)密度，導致表面燒蝕結(jié)構(gòu)在偏振方向上有增加趨勢，因此產(chǎn)生橢圓形彈坑，這種影響隨能量增加而減弱，即橢圓形彈坑逐漸變成了近圓形彈坑。 （4）基于局部瞬時電子狀態(tài)特性研究了脈沖序列延時和空間光束整形對硅表面燒蝕幾何形貌的調(diào)控。當脈沖序列整形成為雙子脈沖時，脈沖通量分別為9.5J/cm2和3.5J/cm2，單點單次激發(fā)硅片，隨著子脈沖延時增加所形成的彈坑底部形貌由尖底變成平底，延時在2500飛秒底部變得更加平整。彈坑的尺寸隨延遲也有所變化，當脈沖延遲小于1皮秒時，彈坑燒蝕深度和燒蝕直徑呈現(xiàn)振蕩遞減趨勢，而重鑄層尺寸是在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)振蕩變化趨勢。當延時大于1皮秒時，燒蝕深度和重鑄層高度基本保持單調(diào)遞減，而燒蝕直徑和重鑄層寬度基本保持不變。當增加子脈沖數(shù)量時，彈坑的燒蝕深度和燒蝕直徑減小。雙子脈沖和三子脈沖序列多次激發(fā)硅片時，燒蝕區(qū)域的深度和直徑隨脈沖延時有衰減的趨勢，雙子脈沖三次激發(fā)在延時為200和600飛秒時燒蝕深度有所增強。三子脈沖三次激發(fā)時只在500-600飛秒之間有所增強。我們認為這種現(xiàn)象的發(fā)生是由于脈沖序列調(diào)節(jié)了自由電子密度從而導致光子-電子共振效應(yīng)增強和相變機理的轉(zhuǎn)化而引起。最后我們利用空間光束整形的方式對硅表面進行單脈沖激發(fā)。當光束整形成多個子光束燒蝕硅表面時，輻照區(qū)域的局部瞬時電子狀態(tài)特性發(fā)生劇烈改變，形成相對應(yīng)光束整形圖案的燒蝕形貌。 本論文研究內(nèi)容來源于以下科研項目：科技部“973”計劃項目“激光微納制造新方法和尺度極限基礎(chǔ)研究（項目編號：2011CB013000）”；國家自然科學基金委“納米制造的基礎(chǔ)研究”重大研究計劃集成項目，項目編號91323301；以及國家自然科學基金杰出青年項目“激光微納制造（項目編號：51025521）”。 本文的主要創(chuàng)新成果均發(fā)表在應(yīng)用表面科學、應(yīng)用光學等國際雜志上，其中本人第一作者SCI檢索論文2篇，在審論文1篇。

【關(guān)鍵詞】：
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN249
【目錄】：

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