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文档简介

超短激光脉冲微构造硅表面 朱京涛 指导教师:赵利教授 摘要 在一定气体氛围下,用超短激光脉冲照射硅片表面,在硅表面产生准规则排 列的微米量级锥形尖峰结构。经过表面微构造的硅材料,光吸收效率显著提高, 尤其在红井波段。对这一现象的研究,不仅是研究光与物质佟焉的基本课题,也 具有潜在的应用价值。我们建立了超短激光脉冲微构造硅表面的实验装置,对硅 表面微结构熬形成及其光吸收性质进行了系统的研究。 研究了激光参数和气体条件对表面微结构的影响。结果表明,背景气体和激 光通量对表面微观结构的形成起着决定性的作用。只有在s f 6 气体氛围下,才能 形成尖锐的锥形尖峰结构。尖峰的高度和间距随着激光通量的增加而增大。 利用皮秒激光脉冲,也可在硅表面构造出尖峰结构。但不同脉冲宽度的激光 与硅表面相互作用的物理机制并不相同,研究了在s f 6 气体氛围下,皮秒和飞秒 激光脉冲作用下硅表面微结梅的演化过程,在皮秒激光脉冲作用下,尖峰结构形 成之前硅片表面先熔化;而飞秒激光脉冲作用下尖峰的演化过程中始终没有出现 液相,表明激光脉冲宽度在表露微构造的形成起着相当重要的作用。 硅表面尖峰结构的形貌与入射激光的偏振方向密切相关。当用圆偏振激光照 射,形成的是对称的锥形尖峰结构;线偏振光形成的尖峰形状是扁锥形,且扁锥 的长轴总是垂真于入射激光的偏振方向。应用f r e s n e l - r e f r a c t i o n 理论定性解释了 这种非对称尖峰结构的形成机理。 二次离子质谱( s i m s ) 和透射电子显微镜( t e m ) 对s f 6 氛围下制备的表面微构 造硅的成份与结构测定的结果表明:微构造的硅材料表面含有大量的s 和f 元 素,结构上为含有大量缺陷鲍晶体。弱时表明表面微构造硅材料的形成是激光辅 助化学刻蚀的过程。 我们研究了不同激光通量,s f 6 和n 2 氛围条件下制备的表匾微结构硅材料的 光吸收性质,结果表明表面微构造硅材料在0 3 一1 6 7 微米波长范围内的光吸收 率显著提高。s f 6 氛围下制备的表面微结构硅材料的光吸收率在整个测量波段范 围内可保持在8 0 以上;n 2 氛溺下制备的表面微结构硅材料在0 3 一1 1 微米和 9 1 4 微米波段的光吸收率可保持在8 0 以上,但在2 7 微米波段有一个低吸 收带。这种极好的光吸收特性使表面微构造硅材料在高效硅光电池、全波段光探 测器、激光功率计,光通讯和遥感等领域具有巨大的潜在应用价值。 关键词:超短激光脉冲;硅表面微构造;光吸收;偏振效应 p a c s 分类号:8 1 。6 5 c f ;5 2 3 8 。m f ;7 8 3 0 。a m ;7 8 。6 8 。+ m 中图法分类号:0 5 3 2 + 。2 5 ;0 4 7 2 + 3 ;t n 3 0 5 7 ;t n 2 1 5 s i l i c o ns u r f a c em i c r o - - s t r u c t u r i n gu s i n gu l t r a - - s h o r tl a s e rp u l s e s j i n g - t a oz h u a d v i s o r :p r o f l iz h a o a b s t r a c t a r r a y so fs h a r pc o n i c a ls p i k e sa r ef o r m e do nt h es i l i c o ns u r f a c eb yc u m u l a t i v e i r r a d i a t i o no fu l t r a s h o r tl a s e rp u l s e si nt h ep r e s e n c eo fa m b i e n tg a s e s t m sn o v e l p h e n o m e n o nh a sa t t r a c t e dg r e a ti n t e r e s tn o to n l yb e c a u s eo ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n u l t r a s h o r tl a s e r p u l s e s a n das e m i c o n d u c t o rs u r f a c e ,b u ta l s ob e c a u s et h e s u r f a c e s t r u c t u r e ds i l i c o na b s o r b si n f r a r e dl i g h tf a rm o r ee f f e c t i v e l yt h a nh a p a t t e r n e d s i l i c o n i nt h i st h e s i s ,t h es y s t e m a t i cs t u d i e so ft h eu l t r a - s h o r tl a s e rp u l s e sp a a e m i n g s i l i c o ns u r f a c ew e r ec a r r i e do u t t h ef o r m a t i o no fs u r f a c em i c r o s t r u c t u r e si ss t r o n g l yd e p e n d e n to nt h es p e c i e s a n dp r e s s u r e so ft h ea m b i e n tg a s e s ,t h el a s e rf l u e n c e ,p u l s ed u r a t i o n ,a n dt h en u m b e r o fl a s e rp u l s e su s e d s h a r pc o n i c a ls p i k e sa r eo n l yo b s e r v e di na m b i e n to fs f 6 ,w h i l e t h es p i k e sf o r m e do nt h es i l i c o ns u r f a c ea r em u c hb l u n ti na m b i e n to fn 2 ,a i r , a n d v a c u u m t h eh e i g h ta n ds p a c i n go ft h es p i k e si n c r e a s ew i t hl a s e rf l u e n c ea n ds h o t n u m b e r t h es h a r pc o n i c a ls p i k e sa r ea l s of o r m e do ns i l i c o ns u r f a c eu s i n gp i c o s e c o n d l a s e rp u l s e si r r a d i a t i n gi na m b i e n to fs f 6 b u tt h ee v o l u t i o no fs u r f a c em i c r o s t r u c t u r e s i sf u n d a m e n t a l l yd i f f e r e n tf r o mt h a to fs u r f a c em i c r o s t r u c t u r e sf o r m e db y f e m t o s e c o n dl a s e rp u l s e s w h i c hs u g g e s tt h a tl a s e rd u r a t i o np l a y sap a r t i c u l a rr o l ei n t h ef o r m a t i o no fs u r f a c em i c r o s t r u c t u r e s t h es h a p eo ft h es p i k e sf o r m e do ns i l i c o ns u r f a c ev a r i e sw i t ht h ep o l a r i z a t i o no f i n c i d e n tl a s e rb e a m w i t hc i r c u l a rp o l a r i z e dl a s e ri r r a d i a t i o n ,t h es h a p eo ft h es p i k e si s c o n i c a l h o w e v e r w i t hl i n e a r l yp o l a r i z e dl a s e ri r r a d i a t i o n ,t h es p i k e ss h o we l l i p t i c c o n i c a ls h a p e ,a n dt h el o n g a x e sa l ea l w a y sp e r p e n d i c u l a rt ot h ep o l a r i z a t i o nd i r e c t i o n o ft h ei n c i d e n tl a s e rb e a m t h ea s y m m e t r i cs h a p eo fs p i k e sp r o d u c e db yl i n e a r l y p o l a r i z e dl a s e rb e a m c a l lb ee x p l a i n e db yc o n s i d e r i n gt h ep o l a r i z a t i o nd e p e n d e n c eo f f r e s n e l - r e f r a c t i o n c o m p a r e dw i t hu n - p a r e r n e dc r y s t a l l i n es i l i c o n ,t h el i g h ta b s o r p t i o no ft h e s u r f a c e - m i c r o s t r u c t u r e ds i l i c o ni ss i g n i f i c a n t l ye n h a n c e di naw i d ew a v e l e n g t hr a n g e o f0 3 16 7u m t h es f 6 - p r e p a r e ds u r f a c e - s t r u c t u r e ds i l i c o ns h o w se n h a n c e dl i g h t a b s o r p t a n c eu pt o8 0 o rm o r ei nt h ew h o l em e a s u r e dw a v e l e n g t hr a n g e t h el i g h t a b s o r p t a n c eo fn 2 - p r e p a r e ds u r f a c e - s t r u c t u r e ds i l i c o ni nt h ew a v e l e n g t hr a n g e so f 0 2 5 一l 。1p 氆a n d9 1 4p 越i sa b o u tt h es a m ea st h a to fs f 6 - p r e p a r e ds a m p l e ( 8 0 o rm o r e ) ,t h o u g hi ti sd e c r e a s e dt ob ea b o u t3 0 i nt h ew a v e l e n g t hr a n g eo f2 - 7p m f u r t h e r m o r e , l i g h ta b s o r p t i o nv a r i e s 谢mt h eh e i g h ta n dd e n s i t yo ft h es p i k e sf o r m e d o ns i l i c o ns u r f a c e ,w h i c hi n d i c a t e st h a tt h es u r f a c em i c r o s t r u c t u r e sp l a ya ni m p o r t a n t r o l ei nt h ee n h a n c e m e n to fl i g h ta b s o r p t i o n t h e s er e m a r k a b l eo p t i c a lp r o p e r t i e so fs u r f a c e m i c m s t r u c t u r e ds i l i c o no p e n u pn e w p o s s i b i l i t i e sf o rp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si no p t o e l e c t r o n i ca n dd e t e c t o r sf i e l d s ,s u c ha s s i l i c o ns o l a rc e l l s ,s i l i c o n - b a s e di n f r a r e dd e t e c t o r s ,r e m o t e s e n s i n g ,o p t i c c o m m u n i c a t i o n s ,a n ds o0 1 1 k e y w o r d s :u l t r a - s h o r tl a s e rp u l s e s ;s i l i c o ns u r f a c em i c r o s t r u c t u r e ;l i g h ta b s o r p t i o n ; p o l a r i z a t i o ne f f e c t p a c s n u m b e r s :8 1 6 5 c 5 2 3 8 m e7 8 3 0 a m ;7 8 6 8 + m c l c n u m b e r s :0 5 3 2 + 2 5 ;0 4 7 2 + 3 ;t n 3 0 5 7 :t n 2 1 5 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得韵研究成果。论文中除了特别加以 标注和致谢的地方外,不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志列 本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者虢槲 日期:娅b _ - 6 ,日期:趔: 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留送交论文的 复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩 印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名:弓雾g 莩g 寿导师二名:龃 日期:丝p :! c h a p t e r1o v e r v i e w 1 1b a c k g r o u n d u l t r a s h o r tl a s e r p u l s e s c a l l p r o v i d el a r g ep e a ki n t e n s i t i e sa n dh i 曲 t i m e - r e s o l u t i o n t h e yh a v eb e e np r o v e nt ob eu s e f u lt o o l si ns c i e n t i f i cr e s e a r c ha n d t e c h n o l o g i c a la p p l i c a t i o n s n o to n l yd ot h e ya l l o wu st ov i e wu l t r a f a s tp h e n o m e n a s u c ha sc h e m i c a lr e a c t i o n so rp h a s et r a n s i t i o n si nr e a lt i m ew i t hu n p r e c e d e n t e dt i m e r e s o l u t i o n ,b u ta l s ot h e ya r eh i g hp o w e ra n dp u r ee n e r g ys o u r c e sc a p a b l eo f d e l i v e r i n g i n t e n s i t i e se x c e e dt w c m 2 w h e nu l t r a s h o r tl a s e rp u l s e si n t e r a c tw i 氇m a a e 岛t h e i n t e n s ea n du l t r a f a s te x c i t a t i o nc r e a t e su n i q u ec o n d i t i o n s l a s e r - i n d u c e dp a t t e r no nt h es o l i ds u r f a c ew a sf i r s ts e e nw h e nr u b yl a s e r i r r a d i a t i o nc a u s e dar i p p l eo rg r o o v es t r u c t u r et od e v e l o po ng e1 1 q i nt h i sp r o c e s s , t h es t r u c t u r e sf o r m e do nt h es u r f a c e ss h o wac h a r a c t e r i s t i cp e r i o dt h a ti ss m a l l e rt h a n t h es p o ts i z eo ft h el a s e ra n dl a r g e rt h a nt h ew a v e l e n g t ho ft h er a d i a t i o nu s e d t h e p a t t e r nf o r m e ds p o n t a n e o u s l yw i t h o u tt h eu s eo fm a s k s t h er i p p l i n gp h e n o m e n o n w a sl a t e rs e e no nav a r i e t yo fm a t e r i a l ,i n c l u d i n g m e t a l s ,s e m i c o n d u c t o r s ,a n d d i e l e c t r i c s ,u n d e raw i d er a n g eo fl a s e ri r r a d i a t i o nc o n d i t i o n s 1 2 - 1 6 , 1 a i y o u n ge ta 1 s y m m e t r i c a l l yd i s c u s s e dt h el a s e r - i n d u c e dp e r i o d i cs u r f a c es t r u c t u r e s 1 7 - 1 1 q i nt l l ei n t e r a c t i o no fal a s e rb e a mw i t has o l i d , d a m a g eo rm o d i f i c a t i o no ft h e s o l i ds u r f a c eo rb u l km a yo c c u ri nt w ow a y s :a sar e s u l to ft h ed e p o s i t i o no fl a r g e a m o u n t so f e n e r g y , i nt h ef o r mo fh e a t ( f o rl o n gp u l s ed u r a t i o nc a s e s ) ,o ra sar e s u l to f t h ep l a s m a , o rc h e m i c a l ,o rm e c h a n i c a le n e r g y i nt h ew h o l e p r o c e s st h em o l e c u l a r s t r u c t u r ea sw e l la sm es h a p eo ft h em a t e r i a li s c h a n g e di nv a r i o u sw a y s u n d e r s t a n d i n gt h i ss e q u e n c eo fe v e n t sr e q u i r e sk n o w l e d g eo fs e v e r a lb r a n c h e so f p h y s i c s h o w e v e 嚣t h i sd a m a g ei so f t e na nu n i n t e n t i o n a lr e s u l t ,a si nm a n yo ft h e e a r l i e s to b s e r v a t i o n so ft h e s el a s e r - i r r a d i a t i n ge f f e c t s ,w h e nl a s e r sw e r es e e nt o d a m a g es o m eo ft h eo p t i c a ld e v i c e sw i t hw h i c ht h e yw e r eu s e d t h e r eh a v ea l s ob e e n m a n ya d v a n c e s ,h o w e v e r , i nt h ed e l i b e r a t eu s eo fs u c hd a m a g i n gp r o c e s s e sf o rl a s e r a n n e a l i n g ,s p u t t e r i n g ,e t c h i n g ,w e l d i n g ,a b l a t i o n ,c u t t i n g ,d r i l l i n g ,m i c r o - m a c h i n i n go r o t h e rm a c h i n i n gu s e s t w oo ft h em o s tc o m m o n l yo b s e r v e dd a m a g em e c h a n i s m sf o r s o l i ds u r f a c ea r em e l t i n ga n da b l a t i o n t h en a t u r eo f t h es u r f a c ed a m a g ea n di t se x t e n t d e p e n ds e n s i t i v e l yo nt h em a t e r i a l ,f o re x a m p l e ,i t st r a n s p a r e n c eo ro p a c i t y , a n di t s t h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e sa n do nt h ep a r a m e t e r so fl a s e ri r r a d i a t i o n , s u c ha st h ep u l s e c h a p t e rio v e r v i e w d u r a t i o n ,t h ew a v e l e n g t h ,a n ds h o tn u m b e r s t h ei n t e r a c t i o no fal a s e rb e a mw i t has o l i dh a sb e e ni n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l y a n de x p e r i m e n t a l l y h 2 q s 2 l a s e rd u r a t i o na n df l u e n c ea r et w oi m p o r t a n c ef a c t o r st o d o m i n a t et h ep r o c e s so fl a s e r - s o l i di n t e r a c t i o na n dt h ef o r m a t i o no fs u r f a c ep a t t e r n s f i r s t l y , l a s e rd u r a t i o no p e r a t e sh o wt h el a s e rp u l s e h e a t s ”s o l i ds u r f a c e 。u p o n t h ei m p a c to fal a s e rb e a mo n as o l i d ,e l e c t r o m a g n e t i ce n e r g yi sc o n v e r t e df i r s ti n t o e l e c t r o n i ce x c i t a i o na n dt h e ni n t ot h e r m a l ,o rm e c h a n i c a le n e r g y t h a ti st os a y , t h e p r i m a r yl a s e r - s o l i di n t e r a c t i o np r o c e s si s t h ee x c i t a t i o no fe l e c t r o n sf r o mt h e i r e q u i l i b r i u m s t a t e s t os o m ee x c i t e ds t a t e s b ya b s o r p t i o n o f p h o t o n s a q u a s i e q u i l i b r i u ms i t u a t i o ni se s t a b l i s h e db ye l e c t r o n - e l e c t r o ns c a t t e r i n go nt h et i m e s c a l eo fa b o u t1 0 s a tt h i ss t a g e ,e l e c t r o nt e m p e r a t u r ei sm u c hh i g h e rt h a nt h e l a t t i c et e m p e r a t u r e ( i nf a c t , t h ea t o m i cl a t t i c ei ss t i l lc o l d ) t h e n , t h eh i g ht e m p e r a t u r e e l e c t r o n sc o o ld o w nb ym e a n so fe m i t t i n gp h o n o n sa n dt r a n s f e r r i n gc o n s i d e r a b l e e n e r g yt ot h el a t t i c eo nt h et i m es c a l eo fa b o u t1 0 “s 。t h ee q u i l i b r i u mb e t w e e n e l e c t r o na n dl a t t i c ec o u l db er e a l i z e d a f t e rp h o t o nr e l a x a t i o n ,t h ed i f f u s i o no fh e a t f r o mt h es u r f a c et ot h eb u l kf o l l o w so nt h et i m es c a l eo fa b o u t10 “s ,w h i c hc a n e f f i c i e n t l yt r a n s f e rt h ee n e r g yi n t ot h eb u l k s u b s e q u e n tp r o c e s s e sa r eo ft h e r m a l n a t u r e w h e ns u f f i c i e n ta m o u n to fe n e r g yi st r a n s f e r r e di n t ot h eb u l k ,t h em e l t i n g t e m p e r a t u r ei se v e n t u a l l yr e a c h e da n dat r a n s i t i o nf r o mt h es o l i dt ot h el i q u i ds t a t e t a k e sp l a c e t h e r e f o r e ,r e p ,x da n d e la r ei m p o r t a n t c h a r a c t e r i s t i ct i m es c a l e si nu n d e r s t a n d i n g t h ep r o c e s so fl a s e r - 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s o l i di n t e r a c t i o n 。m e c h a n i s m sl e a d i n gt o s t r u c t u r a lm o d i f i c a t i o n su s i n gp sa n dl o n g e rl a s e rp u l s e sa r et h e r m a la b l a t i o ni nn a t u r e , i e ,t h e yt a k ep l a c eo nt i m e s c a l e sl o n g e rt h a n1 0 “s i nc o n t r a s t ,f sl a s e rp u l s e so p e n u pn o n t h e r m a lp r o c e s s e st h a tt a k ep l a c eo nat i m e s c a l es h o r t e rt h a n10 。zs h e n c e b e f o r et h e r m a lp r o c e s s e sk i c ki n i np a r t i c u l a r , w i t hh i g hi n t e n s i t yf sl a s e rp u l s e s , 2 c h a p t e rio v e r v i e w u l t r a f a s tp h a s et r a n s i t i o na n da b l a t i o nc a no c c u r , w h i c hi sc o n s i d e r a b l yd i f f e r e n tf r o m t h e r m a lp r o c e s so fl o n gp u l s el a s e ri r r a d i a t i n g 工tnh。enrm。hael,ma t i i n e ( s ) 1 0 8 1 0 - 9 1 0 。i o 1 0 。1 2 1 0 1 4 t h e r m a la b l a t i o n t h e r m a lm e l t i n g t h e r m a ld i f f u s i o n ( t d ) e l e c t r o n - 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