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  本文關(guān)鍵詞：飛秒激光誘導(dǎo)硅表面微納結(jié)構(gòu)幾何形貌調(diào)控實(shí)驗(yàn)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《北京理工大學(xué)》 2015年

飛秒激光誘導(dǎo)硅表面微納結(jié)構(gòu)幾何形貌調(diào)控實(shí)驗(yàn)研究

紀(jì)煦  

【摘要】：自然界的奇妙現(xiàn)象如五顏六色的蝴蝶翅膀、色彩斑斕的孔雀羽毛和出污泥而不染的荷花等為人類(lèi)提供了靈感�？蒲腥藛T研究發(fā)現(xiàn)這些現(xiàn)象都與其表面組成結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng)物體表面具有規(guī)則有序的微/納米結(jié)構(gòu)時(shí)，就可以改變材料的光學(xué)、浸潤(rùn)、自清潔等性能。這些性能對(duì)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的高效利用、特定頻率波吸收、金屬材料的防腐、自清潔、固體表面潤(rùn)滑等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用有著巨大的潛力。因此，探索實(shí)用高效的表面微/納米結(jié)構(gòu)制備技術(shù)及調(diào)控其形貌特征是非常重要的工作。 表面微/納米結(jié)構(gòu)制造有多種方法，近年來(lái)，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，尤其是超快飛秒激光的誕生，推動(dòng)了激光在表面微/納米結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域的飛速發(fā)展。飛秒激光加工具有精度高、裂紋少、熱影響區(qū)小等優(yōu)勢(shì)，使其成為表面微/納米制造領(lǐng)域極具潛力的制備技術(shù)之一。飛秒激光加工材料過(guò)程中，脈沖寬度小于電子-晶格弛豫時(shí)間(10-10～10-12s)，材料對(duì)激光能量的吸收發(fā)生在晶格變化之前，使電子與晶格處于高度非平衡狀態(tài)，這種非平衡、非線性效應(yīng)使飛秒激光微/納米制造機(jī)理完全不同于傳統(tǒng)制造技術(shù)。飛秒激光加工材料的過(guò)程取決于光子與材料電子的相互作用，因此，可以通過(guò)飛秒激光加工過(guò)程中對(duì)電子動(dòng)態(tài)特性的調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)材料加工形貌的控制。 由于飛秒激光在微/納米制造技術(shù)中獨(dú)特的加工機(jī)理，其加工過(guò)程一直被研究，相關(guān)科研工作也逐步展開(kāi)。但對(duì)于飛秒激光誘導(dǎo)微/納米結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制及形貌特征的調(diào)控還缺乏系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。本文開(kāi)展飛秒激光誘導(dǎo)硅表面微/納結(jié)構(gòu)幾何形貌調(diào)控的研究，在硅表面獲得了多種不同形貌特征的微/納米結(jié)構(gòu)，并嘗試探討了它們的形成機(jī)制，同時(shí)設(shè)計(jì)飛秒激光脈沖光束時(shí)空整形調(diào)控硅表面局部電子狀態(tài)特性獲得不同的微/納米結(jié)構(gòu)燒蝕形貌，為進(jìn)一步開(kāi)展飛秒激光可控制備表面微/納米結(jié)構(gòu)研究奠定了基礎(chǔ)。全文的主要研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新性如下： （1）利用飛秒激光在硅表面制備出大面積亞微米級(jí)光柵結(jié)構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)的光刻技術(shù)不需要掩膜，省去了復(fù)雜的掩膜制作工藝，使得光柵結(jié)構(gòu)的制備更加簡(jiǎn)單。同時(shí)利用水輔助的加工方法，獲得周期更小的光柵結(jié)構(gòu)，周期約為150納米。光柵結(jié)構(gòu)擁有精度高、均一性好的特點(diǎn)，能夠很大程度降低表面反射率，提高可見(jiàn)光的吸收率，可以在太陽(yáng)能電池中得到應(yīng)用。 （2）優(yōu)化飛秒激光參數(shù)誘導(dǎo)硅表面周期性結(jié)構(gòu)，在低脈沖數(shù)條件下，飛秒激光在硅表面誘導(dǎo)出“十字型”周期結(jié)構(gòu)。這是在硅表面上發(fā)現(xiàn)的一種全新的微/納米結(jié)構(gòu)，由相互垂直的兩類(lèi)表面周期性結(jié)構(gòu)組成。一類(lèi)表面周期性結(jié)構(gòu)垂直于激光的偏振方向，分布于整個(gè)激光燒蝕區(qū)域，周期為780納米，接近于激光的波長(zhǎng)；另一種周期性結(jié)構(gòu)平行于激光偏振方向，分布于相鄰的兩個(gè)垂直于激光偏振方向的周期性結(jié)構(gòu)之間，周期約為激光的半波長(zhǎng)390納米。兩種周期結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一個(gè)亞微米級(jí)方形孔，孔的長(zhǎng)約為390納米，寬約為190納米，取決于兩種周期結(jié)構(gòu)的周期大小。“十字型”表面周期結(jié)構(gòu)對(duì)激光能量和脈沖個(gè)數(shù)有很強(qiáng)的敏感性，其幾何形貌也受到激光偏振方向的影響。利用有限元技術(shù)數(shù)值模擬解釋了可能存在的形成機(jī)理，模擬表明硅表面的初始燒蝕結(jié)構(gòu)重新分布了表面電場(chǎng)強(qiáng)度和多脈沖的累積效應(yīng)是產(chǎn)生這種“十字型”表面周期性結(jié)構(gòu)的重要因素。 （3）飛秒激光單點(diǎn)激發(fā)硅表面所形成燒蝕彈坑幾何形貌的研究，研究發(fā)現(xiàn)激光偏振和激光能量對(duì)其彈坑形貌有很強(qiáng)的調(diào)控特性。沿著激光偏振方向，彈坑的燒蝕區(qū)域被拉長(zhǎng)，形成了橢圓形彈坑，即橢圓形的主軸始終平行于激光偏振。隨著激光能量的增加，，燒蝕區(qū)域也在增加，同時(shí)，彈坑的形貌由橢圓形變成近圓形形貌。這種形貌有很強(qiáng)的偏振依賴性�；�于時(shí)域有限差分方法模擬其場(chǎng)強(qiáng)分布，發(fā)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)局域在彈坑內(nèi)部，沿著偏振方向有增強(qiáng)效應(yīng)，然而，垂直偏振方向場(chǎng)強(qiáng)很弱。這種增強(qiáng)的場(chǎng)強(qiáng)操控局域瞬時(shí)電子動(dòng)態(tài)密度，導(dǎo)致表面燒蝕結(jié)構(gòu)在偏振方向上有增加趨勢(shì)，因此產(chǎn)生橢圓形彈坑，這種影響隨能量增加而減弱，即橢圓形彈坑逐漸變成了近圓形彈坑。 （4）基于局部瞬時(shí)電子狀態(tài)特性研究了脈沖序列延時(shí)和空間光束整形對(duì)硅表面燒蝕幾何形貌的調(diào)控。當(dāng)脈沖序列整形成為雙子脈沖時(shí)，脈沖通量分別為9.5J/cm2和3.5J/cm2，單點(diǎn)單次激發(fā)硅片，隨著子脈沖延時(shí)增加所形成的彈坑底部形貌由尖底變成平底，延時(shí)在2500飛秒底部變得更加平整。彈坑的尺寸隨延遲也有所變化，當(dāng)脈沖延遲小于1皮秒時(shí)，彈坑燒蝕深度和燒蝕直徑呈現(xiàn)振蕩遞減趨勢(shì)，而重鑄層尺寸是在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)振蕩變化趨勢(shì)。當(dāng)延時(shí)大于1皮秒時(shí)，燒蝕深度和重鑄層高度基本保持單調(diào)遞減，而燒蝕直徑和重鑄層寬度基本保持不變。當(dāng)增加子脈沖數(shù)量時(shí)，彈坑的燒蝕深度和燒蝕直徑減小。雙子脈沖和三子脈沖序列多次激發(fā)硅片時(shí)，燒蝕區(qū)域的深度和直徑隨脈沖延時(shí)有衰減的趨勢(shì)，雙子脈沖三次激發(fā)在延時(shí)為200和600飛秒時(shí)燒蝕深度有所增強(qiáng)。三子脈沖三次激發(fā)時(shí)只在500-600飛秒之間有所增強(qiáng)。我們認(rèn)為這種現(xiàn)象的發(fā)生是由于脈沖序列調(diào)節(jié)了自由電子密度從而導(dǎo)致光子-電子共振效應(yīng)增強(qiáng)和相變機(jī)理的轉(zhuǎn)化而引起。最后我們利用空間光束整形的方式對(duì)硅表面進(jìn)行單脈沖激發(fā)。當(dāng)光束整形成多個(gè)子光束燒蝕硅表面時(shí)，輻照區(qū)域的局部瞬時(shí)電子狀態(tài)特性發(fā)生劇烈改變，形成相對(duì)應(yīng)光束整形圖案的燒蝕形貌。 本論文研究?jī)?nèi)容來(lái)源于以下科研項(xiàng)目：科技部“973”計(jì)劃項(xiàng)目“激光微納制造新方法和尺度極限基礎(chǔ)研究（項(xiàng)目編號(hào)：2011CB013000）”；國(guó)家自然科學(xué)基金委“納米制造的基礎(chǔ)研究”重大研究計(jì)劃集成項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)91323301；以及國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年項(xiàng)目“激光微納制造（項(xiàng)目編號(hào)：51025521）”。 本文的主要?jiǎng)?chuàng)新成果均發(fā)表在應(yīng)用表面科學(xué)、應(yīng)用光學(xué)等國(guó)際雜志上，其中本人第一作者SCI檢索論文2篇，在審論文1篇。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TN249
【目錄】：

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4 王艷艷;韓蒙;孫輝;任秋實(shí);Josef Bille;;利用二次諧波成像技術(shù)研究經(jīng)飛秒激光切削后角膜變化[A];上海市激光學(xué)會(huì)2005年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2005年

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6 劉峰;陳黎明;林曉宣;劉峰;馬景龍;李潤(rùn)澤;李玉同;王兆華;魏志義;張杰;;飛秒超短超強(qiáng)激光在氬團(tuán)簇中的等離子體通道自導(dǎo)引傳輸[A];第十四屆全國(guó)等離子體科學(xué)技術(shù)會(huì)議暨第五屆中國(guó)電推進(jìn)技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)會(huì)議摘要集[C];2009年

7 曾小明;朱啟華;魏曉峰;黃小軍;王逍;王曉東;周凱南;王方;劉蘭琴;謝旭東;郭儀;;飛秒光參量產(chǎn)生和放大實(shí)驗(yàn)[A];第十七屆全國(guó)激光學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2005年

8 韓海年;王延輝;魏志義;沈乃澂;李德華;董太乾;聶玉昕;;飛秒鈦寶石激光的載波包絡(luò)相位測(cè)量和精密控制[A];2004年全國(guó)強(qiáng)場(chǎng)激光物理會(huì)議論文集（二）[C];2004年

9 吳飛鵬;施盟泉;王濤;何勇;張?jiān)讫?楊永源;郭亨長(zhǎng);郭紅滄;蔣紅兵;龔旗煌;;一種適用于飛秒激光全息存儲(chǔ)技術(shù)的光敏高分子材料[A];中國(guó)輻射固化年會(huì)'03論文集[C];2003年

10 潘新宇;李霞;龔旗煌;;飛秒時(shí)間分辨光聲波譜技術(shù)[A];第五屆全國(guó)光學(xué)前沿問(wèn)題研討會(huì)論文摘要集[C];2001年

中國(guó)重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前4條

1 張科;[N];中國(guó)醫(yī)藥報(bào);2009年

2 記者　毛黎;[N];科技日?qǐng)?bào);2006年

3 本報(bào)記者 汪瑋瑋;[N];中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)報(bào);2006年

4 記者 藍(lán)建中;[N];新華每日電訊;2010年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 許艷;基于飛秒光頻梳的絕對(duì)距離測(cè)量技術(shù)研究[D];華中科技大學(xué);2012年

2 徐楠;飛秒激光場(chǎng)誘導(dǎo)的分子一維取向[D];北京大學(xué);2008年

3 陳安民;飛秒激光輻照金屬超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究[D];吉林大學(xué);2012年

4 王永東;紫外極端超快脈沖產(chǎn)生中的關(guān)鍵技術(shù)研究[D];華東師范大學(xué);2011年

5 聶永名;飛秒激光脈沖時(shí)域空域整形及時(shí)空耦合特性研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

6 羅航;混合注入式飛秒光學(xué)參量放大技術(shù)研究[D];復(fù)旦大學(xué);2008年

7 楊明;飛秒激光誘導(dǎo)硅表面微納結(jié)構(gòu)研究[D];南開(kāi)大學(xué);2014年

8 杜鑫;分子及晶格相干振動(dòng)超快過(guò)程的飛秒CARS光譜研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

9 劉蓉;X射線飛秒條紋相機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（西安光學(xué)精密機(jī)械研究所）;2014年

10 楊巖;鹵代烷烴分子飛秒光場(chǎng)電離解離過(guò)程的研究[D];華東師范大學(xué);2012年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 李強(qiáng);基于飛秒光精密加工技術(shù)金屬薄膜深小孔加工研究[D];上海交通大學(xué);2012年

2 師曉娟;飛秒啁啾類(lèi)孤波的傳輸特性研究[D];山西大學(xué);2005年

3 余娟;高功率飛秒激光光譜展寬和三維光存儲(chǔ)研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（西安光學(xué)精密機(jī)械研究所）;2006年

4 閆露露;摻鉺光纖飛秒光梳的研究[D];陜西科技大學(xué);2014年

5 孫偉;飛秒激光損傷閾值對(duì)表面態(tài)依賴物理機(jī)制的研究[D];吉林大學(xué);2009年

6 曹瑛;飛秒波包干涉控制技術(shù)及其應(yīng)用[D];華東師范大學(xué);2006年

7 王強(qiáng)強(qiáng);飛秒時(shí)間分辨條紋相機(jī)的理論和實(shí)驗(yàn)研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（西安光學(xué)精密機(jī)械研究所）;2014年

8 高啟文;飛秒強(qiáng)激光中異核團(tuán)簇的爆炸動(dòng)力學(xué)研究[D];汕頭大學(xué);2010年

9 程晨;高重復(fù)頻率飛秒激光誘導(dǎo)玻璃相變的研究[D];華南理工大學(xué);2014年

10 吳雪峰;飛秒激光燒蝕金屬的理論與試驗(yàn)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2006年

  本文關(guān)鍵詞：飛秒激光誘導(dǎo)硅表面微納結(jié)構(gòu)幾何形貌調(diào)控實(shí)驗(yàn)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：189926