飞秒激光诱导硅表面微纳结构几何形貌调控实验研究.pdf

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1、飞秒激光诱导硅表面微纳结构几何形貌调控实验研究纪煦2015年1月中图分类号：TH145.9UDC分类号：535.3飞秒激光诱导硅表面微纳结构几何形貌调控实验研究作者姓名纪煦学院名称机械与车辆学院指导教师姜澜教授答辩委员会主席朵英贤院士申请学位级别工学博士学科专业机械工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年01月Geometricalmorphologiesadjustmentofmicro/nanostructuresonthesiliconsurfaceinducedbyfemtosecondlaserCandidateName：XuJiSchoolorDepartment

2、:SchoolofMechanicalEngineeringFacultyMentor:Prof.LanJiangChair,ThesisCommittee：Prof.YingxianDuoDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：MechnicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：Jan，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已

3、经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：摘要自然界的奇妙现象如五颜六色的蝴蝶翅膀、色彩斑斓的孔雀羽毛和出污泥而不染的荷花等为人类提供了灵感。科研人员研究发现这些现象都与其表面组成结构有关，当物体表面具有规则有序的微/纳米结构时，就可以改变材料的光学、浸润、自清洁等性能。这些性能对实现太阳能的高效利用、特定频率波吸收、金属材料的防腐、自清洁、固体表面润滑等诸多领域的应用有着巨大的潜力。因此，探索实用高效的表面微/纳米结构制备

4、技术及调控其形貌特征是非常重要的工作。表面微/纳米结构制造有多种方法，近年来，随着激光技术的发展，尤其是超快飞秒激光的诞生，推动了激光在表面微/纳米结构制造领域的飞速发展。飞秒激光加工具有精度高、裂纹少、热影响区小等优势，使其成为表面微/纳米制造领域极具潜力的制-10-12备技术之一。飞秒激光加工材料过程中，脉冲宽度小于电子-晶格弛豫时间(10～10s)，材料对激光能量的吸收发生在晶格变化之前，使电子与晶格处于高度非平衡状态，这种非平衡、非线性效应使飞秒激光微/纳米制造机理完全不同于传统制造技术。飞秒激光加工材料的过程取决于光子与材料电子的相互作用，因此，可以通过飞秒激光加工过程中对电

5、子动态特性的调控来实现材料加工形貌的控制。由于飞秒激光在微/纳米制造技术中独特的加工机理，其加工过程一直被研究，相关科研工作也逐步展开。但对于飞秒激光诱导微/纳米结构的形成机制及形貌特征的调控还缺乏系统的实验研究。本文开展飞秒激光诱导硅表面微/纳结构几何形貌调控的研究，在硅表面获得了多种不同形貌特征的微/纳米结构，并尝试探讨了它们的形成机制，同时设计飞秒激光脉冲光束时空整形调控硅表面局部电子状态特性获得不同的微/纳米结构烧蚀形貌，为进一步开展飞秒激光可控制备表面微/纳米结构研究奠定了基础。全文的主要研究内容与创新性如下：（1）利用飞秒激光在硅表面制备出大面积亚微米级光栅结构，相对于传统

6、的光刻技术不需要掩膜，省去了复杂的掩膜制作工艺，使得光栅结构的制备更加简单。同时利用水辅助的加工方法，获得周期更小的光栅结构，周期约为150纳米。光栅结构拥有精度高、均一性好的特点，能够很大程度降低表面反射率，提高可见光的吸收率，可以在太阳能电池中得到应用。（2）优化飞秒激光参数诱导硅表面周期性结构，在低脉冲数条件下，飞秒激光在硅表面诱导出“十字型”周期结构。这是在硅表面上发现的一种全新的微/纳米结构，-I-由相互垂直的两类表面周期性结构组成。一类表面周期性结构垂直于激光的偏振方向，分布于整个激光烧蚀区域，周期为780纳米，接近于激光的波长；另一种周期性结构平行于激光偏振方向，分布于相

7、邻的两个垂直于激光偏振方向的周期性结构之间，周期约为激光的半波长390纳米。两种周期结构构成了一个亚微米级方形孔，孔的长约为390纳米，宽约为190纳米，取决于两种周期结构的周期大小。“十字型”表面周期结构对激光能量和脉冲个数有很强的敏感性，其几何形貌也受到激光偏振方向的影响。利用有限元技术数值模拟解释了可能存在的形成机理，模拟表明硅表面的初始烧蚀结构重新分布了表面电场强度和多脉冲的累积效应是产生这种“十字型”表面周期性结构的重要因素。（3）飞