飛秒激光參數(shù)對硅表面微結構影響的研究

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1、飛秒激光參數(shù)對硅表面微結構影響的研究摘要：為了制備出表面具有準規(guī)則排列的微米量級錐形尖峰結構的黑硅材料，在SF6氣體氛圍中，用一定能量密度的飛秒脈沖激光照射單晶硅片表面。針對激光通量和激光峰值功率這兩個參量分別進行實驗，具體分析了15fs和130fs脈沖寬度的飛秒激光脈沖作用下硅表面微結構的形成，不同實驗條件下制備出的硅微納結構也有明顯的差異。研究表明，在同一背景氣體下，激光的峰值功率對硅表面微結構的形成起著決定性的作用。關鍵詞：表面微結構；黑硅；脈沖寬度；激光峰值功率中圖分類號：00437文獻標

2、志碼：Adoi：10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.005文章編號：1005-5630(2016)05-0402-05引言目前，激光技術的發(fā)展越來越迅速，采用激光技術對固體材料進行性質(zhì)的改善和研究也越來越普遍。在特定氣體SF6條件下，硅材料表面在飛秒激光脈沖的作用下會生成一種表面呈黑色的比較特別的微納結構，能在表面產(chǎn)生這種微結構的硅材料稱為黑硅[1]。與通常的硅材料相比，這種黑硅表面具有尖峰形態(tài)，形狀呈橢圓形，在性質(zhì)以及形態(tài)方面都有很大不同，大大改善了這種材料對光輻射

3、的吸收性質(zhì)，尤其對中紅外波段以及近紫外線波段的光，其吸收的效率都超過了90%[2]o黑硅這種新材料的產(chǎn)生，使其在光伏電池以及光電探測等方面得到了廣泛的應用[3-8]oSti

4、,大量研究表明，激光的能量、脈沖的數(shù)目以及激光脈沖的能量密度等因素都會對黑硅材料表面的形態(tài)產(chǎn)生很大的影響。還有一些研究發(fā)現(xiàn)，擁有相對高的微小型尖銳錐狀峰的黑硅材料會對光輻射產(chǎn)生更加好的吸收效率[9-10]o為制備出表面具有這種尖銳峰的黑硅材料需要選取適當?shù)募す鈪?shù)，因此，研究飛秒激光峰值功率、激光通量等對黑硅表面微結構形成的影

5、響，找出對硅表面微結構的形成起決定性作用的因素，具有重要的現(xiàn)實意義。本文著重研究了在SF6氣體條件下，飛秒激光峰值功率與硅材料表面生成的尖峰高度的關系。1實驗過程實驗選取的樣品為晶向（100）、n型磷摻雜、厚度500um＞電阻率0.01?0.02Q?cm的單晶硅。把硅片放在去離子水中清洗后，再經(jīng)過甲醇以及丙酮溶液清洗以去掉硅表面的有機物和雜質(zhì)。隨后樣品材料被放置于真空腔體內(nèi)，兩維步進電機安放于真空腔的下面，用于移動真空腔的位置。最后利用真空泵將真空腔內(nèi)的氣壓抽到小于1.0X10-2Pa后，再充入6

6、.5X104Pa的SF6氣體。圖1為基于中空光線管系統(tǒng)［11］的15fs激光脈沖制備微納結構硅系統(tǒng)圖，該系統(tǒng)利用中空光纖管系統(tǒng),將激光器發(fā)出的130fs脈沖激光壓縮為脈寬15fs的脈沖激光作為制備微納結構硅材料的能量來源，飛秒激光經(jīng)焦距為1000mm的光學透鏡會聚，會聚后的激光通過真空室窗片(厚度為0.4mm),然后直接垂直照射在樣品上。130fs脈沖激光制備微納結構時，只需將激光器出來的激光直接通過焦距為1000mm的透鏡到達真空腔體。2實驗結果及分析2.1相同激光通量不同脈寬飛秒激光制備的微納

7、結構激光的峰值功率P0可表示為P0=(P*t)/(f*S*T)(1)式中：P為激光的平均功率；t為激光脈沖的作用時間；f為激光的重復頻率；s為硅片表面的激光照射光斑面積；t為脈沖寬度。因激光通量e的表達式為e=p*t/s,因此po的表達式可表示成po=4)/(f*t)o因激光脈沖的作用時間t=m/f,所以激光通量4>=P*m/(f*S),m為激光脈沖數(shù)。激光通量對硅表面微結構的形成具有重要影響［11-12］,在脈沖寬度以及激光通量相同的情況下，激光功率與脈沖數(shù)之間的比例對硅材料微納結構的生成有著很

8、重要的作用［7］。激光通量在數(shù)值上與功率、脈沖數(shù)兩者乘積有著正比的關系，而不同的激光功率以及脈沖數(shù)的組合所制備的微結構也不同［13］,因此在研究相同激光通量不同脈寬時應保證激光功率與脈沖數(shù)的比例一致。因此，選取了以下兩組參數(shù)分別制備了微納結構硅材料樣品：(1)15fs激光，P=650mW,m=200個130fs激光，P=650mW,m=200個(2)15fs激光，P=650mW,m=500個130fs激光，P=650mW,m=500個圖2為實驗得到的硅表面微結構圖，比較圖(a)與圖(b)可知，雖然

9、制備兩種樣品的激光通量相同，但是制備出的微結構有著很大差異，測量可知15fs激光制備的微納結構峰高約為20.3Um,而130fs激光制備的微納結構峰高只有3.8左右。圖(c)中15fs激光制備的微納結構峰高達到約28.5um,圖(d)中130fs激光制備的微納結構峰高只有5.0?m左右。因此，可以得出：相同激光通量條件下，不同脈沖寬度的激光制備的微納結構相差甚遠，且所使用的激光的脈沖寬度越窄，制備的微納結構尺寸越大。2.2相同峰值功率不同脈寬飛秒激光制備的微納結構根據(jù)式(1),若想