飞秒激光参数对硅表面微结构影响的研究

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1、飞秒激光参数对硅表面微结构影响的研究摘要：为了制备出表面具有准规则排列的微米量级锥形尖峰结构的黑硅材料，在SF6气体氛围中，用一定能量密度的飞秒脉冲激光照射单晶硅片表面。针对激光通量和激光峰值功率这两个参量分别进行实验，具体分析了15fs和130fs脉冲宽度的飞秒激光脉冲作用下硅表面微结构的形成，不同实验条件下制备出的硅微纳结构也有明显的差异。研究表明，在同一背景气体下，激光的峰值功率对硅表面微结构的形成起着决定性的作用。关键词：表面微结构；黑硅；脉冲宽度；激光峰值功率中图分类号：00437文献标

2、志码：Adoi：10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.005文章编号：1005-5630(2016)05-0402-05引言目前，激光技术的发展越来越迅速，采用激光技术对固体材料进行性质的改善和研究也越来越普遍。在特定气体SF6条件下，硅材料表面在飞秒激光脉冲的作用下会生成一种表面呈黑色的比较特别的微纳结构，能在表面产生这种微结构的硅材料称为黑硅[1]。与通常的硅材料相比，这种黑硅表面具有尖峰形态，形状呈椭圆形，在性质以及形态方面都有很大不同，大大改善了这种材料对光辐射

3、的吸收性质，尤其对中红外波段以及近紫外线波段的光，其吸收的效率都超过了90%[2]o黑硅这种新材料的产生，使其在光伏电池以及光电探测等方面得到了广泛的应用[3-8]oSti

4、,大量研究表明，激光的能量、脉冲的数目以及激光脉冲的能量密度等因素都会对黑硅材料表面的形态产生很大的影响。还有一些研究发现，拥有相对高的微小型尖锐锥状峰的黑硅材料会对光辐射产生更加好的吸收效率[9-10]o为制备出表面具有这种尖锐峰的黑硅材料需要选取适当的激光参数，因此，研究飞秒激光峰值功率、激光通量等对黑硅表面微结构形成的影

5、响，找出对硅表面微结构的形成起决定性作用的因素，具有重要的现实意义。本文着重研究了在SF6气体条件下，飞秒激光峰值功率与硅材料表面生成的尖峰高度的关系。1实验过程实验选取的样品为晶向（100）、n型磷掺杂、厚度500um＞电阻率0.01〜0.02Q?cm的单晶硅。把硅片放在去离子水中清洗后，再经过甲醇以及丙酮溶液清洗以去掉硅表面的有机物和杂质。随后样品材料被放置于真空腔体内，两维步进电机安放于真空腔的下面，用于移动真空腔的位置。最后利用真空泵将真空腔内的气压抽到小于1.0X10-2Pa后，再充入6

6、.5X104Pa的SF6气体。图1为基于中空光线管系统［11］的15fs激光脉冲制备微纳结构硅系统图，该系统利用中空光纤管系统,将激光器发出的130fs脉冲激光压缩为脉宽15fs的脉冲激光作为制备微纳结构硅材料的能量来源，飞秒激光经焦距为1000mm的光学透镜会聚，会聚后的激光通过真空室窗片(厚度为0.4mm),然后直接垂直照射在样品上。130fs脉冲激光制备微纳结构时，只需将激光器出来的激光直接通过焦距为1000mm的透镜到达真空腔体。2实验结果及分析2.1相同激光通量不同脉宽飞秒激光制备的微纳

7、结构激光的峰值功率P0可表示为P0=(P*t)/(f*S*T)(1)式中：P为激光的平均功率；t为激光脉冲的作用时间；f为激光的重复频率；s为硅片表面的激光照射光斑面积；t为脉冲宽度。因激光通量e的表达式为e=p*t/s,因此po的表达式可表示成po=4)/(f*t)o因激光脉冲的作用时间t=m/f,所以激光通量4>=P*m/(f*S),m为激光脉冲数。激光通量对硅表面微结构的形成具有重要影响［11-12］,在脉冲宽度以及激光通量相同的情况下，激光功率与脉冲数之间的比例对硅材料微纳结构的生成有着很

8、重要的作用［7］。激光通量在数值上与功率、脉冲数两者乘积有着正比的关系，而不同的激光功率以及脉冲数的组合所制备的微结构也不同［13］,因此在研究相同激光通量不同脉宽时应保证激光功率与脉冲数的比例一致。因此，选取了以下两组参数分别制备了微纳结构硅材料样品：(1)15fs激光，P=650mW,m=200个130fs激光，P=650mW,m=200个(2)15fs激光，P=650mW,m=500个130fs激光，P=650mW,m=500个图2为实验得到的硅表面微结构图，比较图(a)与图(b)可知，虽然

9、制备两种样品的激光通量相同，但是制备出的微结构有着很大差异，测量可知15fs激光制备的微纳结构峰高约为20.3Um,而130fs激光制备的微纳结构峰高只有3.8左右。图(c)中15fs激光制备的微纳结构峰高达到约28.5um,图(d)中130fs激光制备的微纳结构峰高只有5.0»m左右。因此，可以得出：相同激光通量条件下，不同脉冲宽度的激光制备的微纳结构相差甚远，且所使用的激光的脉冲宽度越窄，制备的微纳结构尺寸越大。2.2相同峰值功率不同脉宽飞秒激光制备的微纳结构根据式(1),若想