脉冲激光在硅表面制备微纳结构的研究

论文摘要

在自然界中,很多生物体表的有序微纳结构使其具有独特的性能,如结构色、超疏水和超黏附等,引起了人们很大的兴趣。硅是一种重要的半导体材料,表面具有微纳结构的硅材料在红外探测器、太阳能电池以及平板显示器等领域都有着重要的应用前景,因此硅表面微纳结构制备及性质的研究具有重要的意义。激光在材料表面直接诱导有序微纳结构是该领域具有潜力的制备方法之一。在本文中我们研究了纳秒与飞秒激光在硅表面微纳结构的制备和性质。在特定的气氛环境下,用Nd:YAG纳秒脉冲激光（波长1064 nm、532 nm和355nm）与钛宝石飞秒脉冲激光（波长800 nm）对硅表面累积脉冲辐照,硅表面产生了周期性波纹和锥形等不同的微纳结构。研究了激光参数、气氛条件和硅片晶向等因素对表面微结构的影响,并对其形成机理给出了定性的理论解释。采用飞秒激光对硅表面进行扫描,首次发现了辐照过的硅表面会呈现不同的颜色。研究表明:在空气、氮气和真空条件下形成的彩色硅表面均出现了亚波长周期性结构,真空中的结果要更明显,且波纹间距依次增加。反射谱的研究表明:在500-1500 nm波段范围内的彩色硅表面的光辐射反射率不高于30%。首次采用频率较低（10Hz）,而且更便宜、更容易维护的纳秒激光实现了黑硅的高效率制备。不同气氛条件下制备的微构造硅表面浸润性有很大的差异,空气中为强亲水,真空中为超疏水,而SF6中则表现为亲水性。500-2400 nm的吸收率光谱曲线的结果表明:SF6下制备的具有微结构的硅表面呈现很强的红外吸收特性,其原因可能与表面的多次反射和硫杂质掺杂有关。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 自然界中生物的特殊表面
• 1.1.1 自然界中绚丽的色彩现象
• 1.1.2 超疏水性表面
• 1.2 材料表面微纳结构的性质
• 1.2.1 提高光学吸收效率
• 1.2.2 表面改色技术
• 1.2.3 表面浸润性
• 1.3 激光与半导体材料的相互作用
• 1.3.1 纳秒激光与半导体材料的相互作用研究
• 1.3.2 飞秒激光与半导体材料的相互作用研究
• 1.4 脉冲激光在硅表面制备微纳结构的研究目的和意义
• 1.5 本论文主要内容及安排
• 2 实验系统及测试方法
• 2.1 实验加工装置
• 2.1.1 纳秒激光系统
• 2.1.2 钛宝石飞秒激光系统
• 2.1.3 Newport XPS Controller
• 2.2 微结构硅表面的制备步骤
• 2.3 测试方法
• 2.3.1 扫描电子显微镜
• 2.3.2 扫描探针显微镜
• 2.3.3 透射电子显微镜
• 2.3.4 紫外、可见-近红外分光光度计
• 2.4 本章小结
• 3 脉冲激光辐照硅表面形成微结构的研究
• 3.1 纳秒激光辐照硅表面产生微结构的研究
• 3.1.1 能量密度对微结构的影响
• 3.1.2 脉冲数对微结构的影响
• 3.1.3 背景气体对微结构硅表面的影响
• 3.1.4 波长对微结构硅表面的影响
• 3.1.5 硅片晶向对微结构硅表面的影响
• 3.2 飞秒激光辐照硅表面形成微结构的研究
• 3.2.1 脉冲数对微结构的影响
• 3.2.2 背景气体对微结构的影响
• 3.3 纳秒激光与飞秒激光在硅表面形成对微结构的比较
• 3.4 本章小结
• 4 飞秒激光制备彩色硅的研究
• 4.1 彩色硅的制备
• 4.1.1 能量密度对彩色硅的影响
• 4.1.2 气氛条件对彩色硅的影响
• 4.1.3 扫描速度对彩色硅的影响
• 4.2 TEM 表征
• 4.2.1 空气中的情况
• 2 中的情况'>4.2.2 N₂中的情况
• 4.2.3 真空中的情况
• 6 中的情况'>4.2.4 SF₆中的情况
• 4.3 不同气氛下彩色硅的光学特性分析结果
• 4.4 本章小结
• 5 532 nm 纳秒激光制备“黑硅”及其性能的研究
• 5.1 “黑硅”的制备
• 5.2 不同气氛下的微构造硅表面
• 5.3 表面微结构的浸润性能
• 5.4 光学性能表征
• 5.4.1 不同背景气氛的实验结果
• 6 气氛下的实验结果'>5.4.2 SF₆气氛下的实验结果
• 5.5 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文