超短激光脈沖微構(gòu)造硅表面.pdf

1、在一定氣體氛圍下，用超短激光脈沖照射硅片表面，在硅表面產(chǎn)生準(zhǔn)規(guī)則排列的微米量級(jí)錐形尖峰結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)表面微構(gòu)造的硅材料，光吸收效率顯著提高，尤其在紅外波段。對(duì)這一現(xiàn)象的研究，不僅是研究光與物質(zhì)作用的基本課題，也具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。我們建立了超短激光脈沖微構(gòu)造硅表面的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)硅表面微結(jié)構(gòu)的形成及其光吸收性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。 研究了激光參數(shù)和氣體條件對(duì)表面微結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，背景氣體和激光通量對(duì)表面微觀結(jié)構(gòu)的形成起著決定性的作

2、用。只有在SF6氣體氛圍下，才能形成尖銳的錐形尖峰結(jié)構(gòu)。尖峰的高度和間距隨著激光通量的增加而增大。 利用皮秒激光脈沖，也可在硅表面構(gòu)造出尖峰結(jié)構(gòu)。但不同脈沖寬度的激光與硅表面相互作用的物理機(jī)制并不相同，研究了在SF6氣體氛圍下，皮秒和飛秒激光脈沖作用下硅表面微結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程，在皮秒激光脈沖作用下，尖峰結(jié)構(gòu)形成之前硅片表面先熔化；而飛秒激光脈沖作用下尖峰的演化過(guò)程中始終沒(méi)有出現(xiàn)液相，表明激光脈沖寬度在表面微構(gòu)造的形成起著相當(dāng)重要的

3、作用。 硅表面尖峰結(jié)構(gòu)的形貌與入射激光的偏振方向密切相關(guān)。當(dāng)用圓偏振激光照射，形成的是對(duì)稱的錐形尖峰結(jié)構(gòu)；線偏振光形成的尖峰形狀是扁錐形，且扁錐的長(zhǎng)軸總是垂直于入射激光的偏振方向。應(yīng)用Fresnel—refraction理論定性解釋了這種非對(duì)稱尖峰結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理。 二次離子質(zhì)譜（SlMS）和透射電子顯微鏡（TEM）對(duì)SF6氛圍下制備的表面微構(gòu)造硅的成份與結(jié)構(gòu)測(cè)定的結(jié)果表明：微構(gòu)造的硅材料表面含有大量的S和F元素，結(jié)構(gòu)上為

4、含有大量缺陷的晶體。同時(shí)表明表面微構(gòu)造硅材料的形成是激光輔助化學(xué)刻蝕的過(guò)程。 我們研究了不同激光通量，SF6和N2氛圍條件下制備的表面微結(jié)構(gòu)硅材料的光吸收性質(zhì)，結(jié)果表明表面微構(gòu)造硅材料在0．3—16．7微米波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光吸收率顯著提高。SF6氛圍下制備的表面微結(jié)構(gòu)硅材料的光吸收率在整個(gè)測(cè)量波段范圍內(nèi)可保持在80％以上；N2氛圍下制備的表面微結(jié)構(gòu)硅材料在0．3—1．1微米和9—14微米波段的光吸收率可保持在80％以上，但在2—7微