羅坤+陳向前+彭滟+朱亦鳴

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(jié)構(gòu)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15 fs和130 fs脈沖寬度的飛秒激光脈沖作用下硅表面微結(jié)構(gòu)的形成，不同實驗條件下制備出的硅微納結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的形成起著決定性的作用。

關(guān)鍵詞： 表面微結(jié)構(gòu)； 黑硅； 脈沖寬度； 激光峰值功率

中圖分類號： O 0437 文獻標志碼： A doi： 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(shù)的發(fā)展越來越迅速，采用激光技術(shù)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(jié)構(gòu)，能在表面產(chǎn)生這種微結(jié)構(gòu)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]。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(yīng)用[3-8]。目前，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]。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(jié)構(gòu)形成的影響，找出對硅表面微結(jié)構(gòu)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(guān)系。

1 實驗過程

實驗選取的樣品為晶向 （100）、n型磷摻雜、厚度500 μm、電阻率0.01～0.02 Ω·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1.0×10-2 Pa后，再充入6.5×104 Pa的SF6氣體。

圖1為基于中空光線管系統(tǒng)[11]的15 fs激光脈沖制備微納結(jié)構(gòu)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130 fs脈沖激光壓縮為脈寬15 fs的脈沖激光作為制備微納結(jié)構(gòu)硅材料的能量來源，飛秒激光經(jīng)焦距為1 000 mm的光學透鏡會聚，會聚后的激光通過真空室窗片（厚度為0.4 mm），然后直接垂直照射在樣品上。130 fs脈沖激光制備微納結(jié)構(gòu)時，只需將激光器出來的激光直接通過焦距為1 000 mm的透鏡到達真空腔體。

2 實驗結(jié)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結(jié)構(gòu)

激光的峰值功率P0可表示為

P0=（P*t）/（f*S*τ） （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；τ為脈沖寬度。因激光通量φ的表達式為φ=P*t/S，因此P0的表達式可表示成P0=φ/（f*τ）。因激光脈沖的作用時間t=m/f，所以激光通量φ=P*m/（f*S），m為激光脈沖數(shù)。激光通量對硅表面微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的生成有著很重要的作用[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(guān)系，而不同的激光功率以及脈沖數(shù)的組合所制備的微結(jié)構(gòu)也不同[13]，因此在研究相同激光通量不同脈寬時應(yīng)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(jié)構(gòu)硅材料樣品：

（1）15 fs激光，P=650 mW，m=200 個 130 fs激光，P=650 mW，m=200 個

（2）15 fs激光，P=650 mW，m=500 個 130 fs激光，P=650 mW，m=500 個

圖2為實驗得到的硅表面微結(jié)構(gòu)圖，比較圖（a）與圖（b）可知，雖然制備兩種樣品的激光通量相同，但是制備出的微結(jié)構(gòu)有著很大差異，測量可知15 fs激光制備的微納結(jié)構(gòu)峰高約為20.3 μm，而130 fs激光制備的微納結(jié)構(gòu)峰高只有3.8 μm左右。圖（c）中15 fs激光制備的微納結(jié)構(gòu)峰高達到約28.5 μm，圖（d）中130 fs激光制備的微納結(jié)構(gòu)峰高只有5.0 μm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(jié)構(gòu)相差甚遠，且所使用的激光的脈沖寬度越窄，制備的微納結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

根據(jù)式（1），若想使兩種脈寬的峰值功率保持一致，則130 fs激光的激光通量需要為15 fs激光的激光通量的8.66（130/15）倍，即φ130=（130/15）* φ15，而φ=P*t/S=（P*m）/（f*S），所以也可以通過保證二者平均功率相同，調(diào)整二者脈沖數(shù)的比例關(guān)系來實現(xiàn)，即P130=P15，m130=130/15*m15。因此，選取了以下兩組參數(shù)分別制備了微納結(jié)構(gòu)硅材料樣品：

（1）15 fs激光，P=580 mW，m=200 個 130 fs激光，P=580 mW，m=1 732 個

（2）15 fs激光，P=580 mW，m=300 個 130 fs激光，P=580 mW，m=2 598 個

圖3為實驗結(jié)果，通過測量可知圖3（a）中微納結(jié)構(gòu)的峰高約為13.3 μm，而圖3 （b）中微納結(jié)構(gòu)的峰高約為14.1 μm，15 fs激光與130 fs激光在二者峰值功率相同的前提下，所制備的微納結(jié)構(gòu)的尺寸極為接近。當15 fs激光脈沖數(shù)變?yōu)?00時，15 fs激光制備的微納結(jié)構(gòu)的峰高約為13.4 μm，而對應(yīng)的130 fs激光在脈沖數(shù)為2 598所制備的微納結(jié)構(gòu)的峰高約為13.8 μm。因此，在峰值功率相同的情況下，兩種脈寬激光制備的微納結(jié)構(gòu)具有極為相似的峰結(jié)構(gòu)。

為了進一步驗證這個結(jié)論，在相同的條件下繼續(xù)進行實驗，激光功率保持580 mW不變，而15 fs激光的脈沖數(shù)為20、50～500，每隔50個脈沖進行一次對比，130 fs激光脈沖數(shù)相應(yīng)地為15 fs激光脈沖數(shù)的8.66倍。如圖4所示，隨著脈沖數(shù)的增加，15 fs激光制備的微納結(jié)構(gòu)的峰高值與相應(yīng)的130 fs激光制備的微納結(jié)構(gòu)的峰高值都很接近，實驗結(jié)果進一步證明了激光的峰值功率對微結(jié)構(gòu)的形成具有決定性的影響。

上面的實驗結(jié)果顯示，激光脈沖峰值功率對硅材料微納結(jié)構(gòu)的生成影響很重要。激光和固體材料的相應(yīng)作用機理相對比較復雜，但是通過激光來激發(fā)固體材料內(nèi)部電子這一基本的過程開始的。激光照射在固體上，固體材料吸收到能量后，固體本身的熱學過程隨之產(chǎn)生。在10-13s的時間內(nèi)，固體內(nèi)大量的電子在吸收到光子后被激發(fā)到高能態(tài)[14]，這種情況下，由于電子的溫度遠比晶格的溫度要大，系統(tǒng)處在了一個非平衡態(tài)的位置。位于激發(fā)態(tài)狀態(tài)的電子，其溫度極高，通過電聲子學之間作用的形式將電子釋放出來的能量傳遞到晶格，因此可使得系統(tǒng)達到一種平衡的狀態(tài)，這個過程在τe-p=10-12s的時間范圍內(nèi)發(fā)生[15]。之后再通過熱傳導的方式將固體表面所吸收到的能量傳遞到固體的內(nèi)部，這個過程在10-11 s的時間范圍內(nèi)發(fā)生。實驗中所使用的飛秒脈沖激光，其脈沖寬度τ= 130 fs遠小于τe-p，處于激發(fā)態(tài)的電子和晶格兩者相互之間達不到建立起熱平衡狀態(tài)的時間，材料表面瞬間吸收到的激光能量很難傳遞到固體的內(nèi)部，所以不會對其表面造成熔化。短時間內(nèi)，在材料表面積聚了很高的能量，高能量使得在固體材料的表面產(chǎn)生了等離子體，等離子體與周圍物質(zhì)產(chǎn)生作用。在相互作用的過程中，不僅帶走了大量的表層物質(zhì)，另外也帶走了很多的能量。所以，在材料表面產(chǎn)生的強烈刻蝕效果并非是熱刻蝕所導致的，在一定程度上是激光峰值功率這一瞬態(tài)的能量對硅表面產(chǎn)生強烈的刻蝕效果，因而激光脈沖的峰值功率對微觀結(jié)構(gòu)的形成起著重要的作用。

3 結(jié) 論

實驗中，我們在6.5×104 Pa的SF6氣體環(huán)境下，分別對激光通量和激光峰值功率這兩個參量進行實驗，在飛秒激光脈沖的作用下，獲得了不同的硅材料表面微結(jié)構(gòu)。利用掃描電子顯微鏡（SEM）測量了不同實驗條件下生成的尖峰高度，然后算出各尖峰高度的平均數(shù)值 （SEM軟件的測量精度為0.1μm），該數(shù)值即為對應(yīng)實驗條件下的尖峰高度。分別用15 fs和130 fs兩種脈沖寬度的飛秒激光制備了黑硅材料，并分析了兩種參量與硅材料表面微納結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的關(guān)系。利用飛秒激光成功制備出微納結(jié)構(gòu)硅材料樣品，研究發(fā)現(xiàn)激光脈沖的峰值功率對微觀結(jié)構(gòu)的形成有著重要的影響，對硅材料以后在光伏電池以及光通信等領(lǐng)域的應(yīng)用研究具有參考價值。

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