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飛秒激光誘導(dǎo)硅表面微納結(jié)構(gòu)幾何形貌調(diào)控實(shí)驗(yàn)研究.doc 全文免費(fèi)在線閱讀

發(fā)布時(shí)間:2016-11-24 05:28

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


網(wǎng)友小博士近日為您收集整理了關(guān)于飛秒激光誘導(dǎo)硅表面微納結(jié)構(gòu)幾何形貌調(diào)控實(shí)驗(yàn)研究的文檔,希望對您的工作和學(xué)習(xí)有所幫助。以下是文檔介紹:飛秒激光誘導(dǎo)硅表面微納結(jié)構(gòu)幾何形貌調(diào)控實(shí)驗(yàn)研究第1章緒論1.1.表面微/納米結(jié)構(gòu)研究的背景意義自然界中生物經(jīng)過億萬年的進(jìn)化具備了令人嘆為觀止的能力和功能,比如色彩斑斕的昆蟲世界,五顏六色的孔雀羽毛和蝴蝶翅膀;水中游來游去的小鴨子卻不會(huì)打濕自身的羽毛,水面上自由滑行的水黽卻不會(huì)浸濕腿腳;蚊子的復(fù)眼從不會(huì)被霧氣或水氣覆蓋;荷花生長在充滿污垢的池塘,而自身卻清潔示人;壁虎、章魚、蜘蛛、螞蟻它們不僅能在垂直墻壁上運(yùn)動(dòng)自如,而且能在天花板上停留和爬行,地球引力對它們似乎沒什么影響。經(jīng)科研人員研究發(fā)現(xiàn),自然界生物這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/納米結(jié)構(gòu),這對于人類開發(fā)材料表面功能的研究是具有重要的借鑒意義。科學(xué)工作者認(rèn)為只要在材料表面上制備出類似的微/納米結(jié)構(gòu)就可能使其某一種或者多種功能得到極大改善,如圖1-1所示荷葉表面自清潔、超疏水功能特性為防水材料的研究提供了依據(jù)[1,2];圖1-2所示壁虎腳超強(qiáng)黏附、脫附功能[3,4]可以成為爬墻機(jī)器人的研究基礎(chǔ),這種機(jī)器人可以應(yīng)用在消防、軍事等領(lǐng)域;圖1-3所示鯊魚鱗片表面的減阻性能研究能夠?yàn)橛斡具\(yùn)動(dòng)員提高成績提供幫助[5-7],同時(shí)在船舶制造業(yè)有著巨大的應(yīng)用價(jià)值以及圖1-4所示蝴蝶翅膀表面微/納米結(jié)構(gòu)[8]改變光學(xué)吸收性能的研究為太陽能電池的研究發(fā)展提供技術(shù)支持[9]。由此可見,表面微/納米結(jié)構(gòu)的制備與幾何形貌特征調(diào)控的實(shí)驗(yàn)研究可以極大改善材料自身的超疏水自清潔、超黏附脫附、超浸潤減阻和光學(xué)吸收等性能。這些性能對地下管道的防腐、機(jī)器人的攀附、船舶提高航速和太陽能的高效利用等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用有著巨大的潛力。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者保利曾經(jīng)提到:上帝創(chuàng)造了固體,但表面就是魔鬼的杰作。制備材料表面微/納米結(jié)構(gòu)及調(diào)控幾何形貌特征的研究對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展尤為重要,需要多學(xué)科、多領(lǐng)域的技術(shù)支持,已經(jīng)逐漸成為國內(nèi)外諸多領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。1.2.制備表面微/納米結(jié)構(gòu)方法制備材料表面微/納米結(jié)構(gòu),即通過某種方法在原材料表面上形成具有某種特定形狀的基本結(jié)構(gòu)單元,并且這種基本結(jié)構(gòu)單元的尺寸要控制在微米甚至納米量級(jí)。有以下兩種基本方法可以在材料表面上實(shí)現(xiàn)這種基本結(jié)構(gòu)單元的制備[12]。一種是基于生長的自下而上Bottomup)的方法,即在原有的結(jié)構(gòu)上通過某種方法生長出新結(jié)構(gòu)。另一種是基于去除的自上而下Topdown)的方法,即在原材料表面這個(gè)大片的結(jié)構(gòu)上去除掉一定的結(jié)構(gòu),留下目標(biāo)結(jié)構(gòu),形成基本的微/納米結(jié)構(gòu)單元。自下而上的方法是可以在原有的結(jié)構(gòu)表面上形成新的結(jié)構(gòu)單元,也可以是在材料表面上通過自身生長、變化或化學(xué)反應(yīng)的方式形成新的結(jié)構(gòu),代表性的工藝在納米制造技術(shù)領(lǐng)域稱之為“Bottomup方法”。如圖1-5所示,清華大學(xué)范守善教授與美國斯坦福大學(xué)StanfordUniversity)Chapline博士合作,首先利用半導(dǎo)體工業(yè)中的紫外光光刻技術(shù)制備出一定形狀的催化劑島,然后利用化學(xué)氣相沉積方法(ChemicalVaporDeposition,CVD)生長出排列整齊的碳納米管陣列圖案,這種規(guī)則陣列結(jié)構(gòu)有很好的場發(fā)射性能,有望應(yīng)用于場發(fā)射平板顯示器[13];這種化學(xué)氣相沉積生長表面微/納米結(jié)構(gòu)就是典型的自下而上方法。自下而上方法還能夠組裝出更小的具有納米尺度的物質(zhì)結(jié)構(gòu),如圖1-6所示的電極間單壁碳納米管的準(zhǔn)直生長[14,15];當(dāng)然,這種在納米催化劑顆粒分子甚至原子的基礎(chǔ)上進(jìn)行新材料的生成方法目前還有很多技術(shù)難題,比如:如何高效的合成準(zhǔn)直的碳納米管,單元器件的集成方法和技術(shù),集成后與外部器件的連接技術(shù)等,距離實(shí)際應(yīng)用尚有大量的研究需要突破。第2章飛秒激光誘導(dǎo)硅表面亞微米光柵結(jié)構(gòu)2.1.飛秒激光技術(shù)簡介1960年,第一臺(tái)脈沖激光問世,脈寬達(dá)到了幾百微秒[17]。1961年,Hellwarth利用調(diào)Q技術(shù)將脈寬降低了四個(gè)數(shù)量級(jí),達(dá)到了10納秒(Nanosecond,ns)。1966年,DeMaria等人利用寬增益的染料激光介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了鎖模技術(shù),這為激光脈寬進(jìn)一步壓縮提供了技術(shù)支持[77]。20世紀(jì)70年代,Froehly等研究人員在環(huán)形染料激光器中利用碰撞鎖模技術(shù),使得激光脈沖寬度達(dá)到了飛秒量級(jí)[78]。經(jīng)過十年的研究,美國貝爾實(shí)驗(yàn)室于80年代中期使得碰撞鎖模染料激光器的脈沖寬度壓縮至27飛秒[79]。1987年,Shank課題組運(yùn)用腔外壓縮三次相位補(bǔ)償技術(shù)將脈沖寬度進(jìn)一步壓縮為6飛秒[80],1990年,麻省理工大學(xué)利用被動(dòng)鎖模技術(shù)研制出摻鈦Ti:sapphire)飛秒激光器[81]。隨著寬帶調(diào)諧增益介質(zhì)-摻鈦藍(lán)寶石(Ti3+:Al2O3)的發(fā)展和克爾透鏡鎖模(KML)或自鎖模(SML)技術(shù)的出現(xiàn)[82],固態(tài)飛秒振蕩器得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展和應(yīng)用,與此同時(shí),伴隨著啁啾脈沖放大技術(shù)CPA)的發(fā)展[83],飛秒激光的重復(fù)頻率(kHz)與單脈沖能量(mJ)都得到顯著提高。直到今天,飛秒激光器都首選摻鈦藍(lán)寶石作為工作介質(zhì),因?yàn)槠渚哂懈呖煽啃?使用方便等優(yōu)點(diǎn),其發(fā)展演化趨勢如圖2-1所示。近年來,很多科學(xué)工作者致力于更短的脈沖激光研制。德國馬克思-普朗克量子光學(xué)研究所的科學(xué)家近日成功研制出世界最快的阿秒激光脈沖,脈寬僅為80阿秒,該技術(shù)可用來觀察較大原子的周圍電子運(yùn)動(dòng)概率及捕捉超快激光脈沖的影像[84]。..2.2.飛秒激光加工系統(tǒng)飛秒激光加工系統(tǒng)的光路如圖2-9所示。本文所開展的飛秒激光誘導(dǎo)硅表面微/納米結(jié)構(gòu)研究主要用到了圖2-9b)所示的紅色的主光路和經(jīng)過脈沖整形器的子光路。所以課題研究中所涉及的加工系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:1.飛秒激光系統(tǒng);2.高精度六維電控移動(dòng)平臺(tái);3.D實(shí)時(shí)觀測);4.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成;5.脈沖整形器,其中脈沖整形器可以對子脈沖數(shù)、脈沖間隔、脈沖能量分布等參數(shù)進(jìn)行調(diào)制,將在第五章的研究中詳細(xì)介紹。這里先介紹其他四大組成部分。利用這段波長連續(xù)范圍內(nèi)的光的空間相干來獲得時(shí)間上的極大壓縮,從而實(shí)現(xiàn)飛秒量級(jí)的激光脈沖輸出。飛秒激光系統(tǒng)部結(jié)構(gòu)圖以及主要規(guī)格指標(biāo)參數(shù)如圖2-11所示。而飛秒激光放大系統(tǒng)則為鈦藍(lán)寶石再生激光放大系統(tǒng),型號(hào)為SpitfirePro5W,在4.2W泵浦源的條件下,穩(wěn)定輸出功率為560mW,頻率為80MHz,輸出激光中心波長為800納米。經(jīng)過放大級(jí)的飛秒激光最小脈寬約為35飛秒。實(shí)驗(yàn)所用的飛秒激光重復(fù)頻率為1千赫茲。飛秒激光器放大級(jí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及其規(guī)格指標(biāo)參數(shù)如圖2-12所示。第3章飛秒激光誘導(dǎo)硅表面“十字型”....473.1.“十字型”表面周期結(jié)構(gòu)........473.2.“十字型”表面周期結(jié)構(gòu)形成條件.......523.3.飛秒激光偏振對“十字型”表面周期結(jié)構(gòu)的調(diào)控........563.4.“十字型”表面周期結(jié)構(gòu)形成的潛在機(jī)理研究.......563.5.本章小結(jié)...........60第4章飛秒激光誘導(dǎo)硅表面單脈沖燒蝕彈坑.....614.1.飛秒激光單脈沖誘導(dǎo)

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本文編號(hào):189927

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