飛秒激光制備半導(dǎo)體表面納米周期結(jié)構(gòu)

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1、飛秒激光制備半導(dǎo)體表面納米周期結(jié)構(gòu)飛秒激光制備半導(dǎo)體表面納米周期結(jié)構(gòu)【摘要】：自從飛秒激光出現(xiàn)后,超短脈沖激光與物質(zhì)的相互作用就引起了廣泛的關(guān)注。在此過程中,出現(xiàn)了許多引人注目的現(xiàn)象,例如飛秒脈沖誘導(dǎo)短周期納米結(jié)構(gòu),其周期遠(yuǎn)小于激光波長。這在突破衍射極限的微光學(xué)器件制備、材料改性及二維平板顯示等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。但其形成機(jī)制仍然是一個(gè)讓人困擾的問題。激光干涉刻蝕技術(shù)是制備一維光柵結(jié)構(gòu)、二維、三維光子晶體的一種成熟而有效的方法。由于飛秒激光超短、超強(qiáng)的特性,激光干涉刻蝕技術(shù)有了更廣闊的發(fā)展空間。本文重點(diǎn)研究了飛秒脈沖在半導(dǎo)體材料Z

2、nO表面誘導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)的機(jī)理,并將這種方法與多光束干涉技術(shù)相結(jié)合,在多種半導(dǎo)體表面制備出了多種花樣的周期納米圖案。其主要內(nèi)容如下：(1)飛秒脈沖在ZnO晶體表面誘導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)的周期隨脈沖能量、照射脈沖數(shù)變化。但在一定的激光強(qiáng)度范圍內(nèi),經(jīng)過大量飛秒脈沖的照射,其周期都趨近于λ/2n,n為材料折射率,λ為激光波長。本文提出了一種新的模型解釋飛秒脈沖誘導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理,認(rèn)為在納米條紋的形成過程中,樣品應(yīng)分為上下兩層分別討論。表層直接與光相互作用,不同的脈沖能量及照射脈沖數(shù)下形成了不同的條紋結(jié)構(gòu)；在內(nèi)層中,由于飛秒激光照射過程中的非線性吸收及

3、雪崩電離過程而產(chǎn)生了大量的納米等離子體,介電常數(shù)隨激光參數(shù)而變化,這些納米等離子體對入射光具有散射作用。散射光相互作用而逐漸形成了強(qiáng)烈的駐波場,從而誘導(dǎo)形成規(guī)則的納米條紋結(jié)構(gòu)。當(dāng)表層被燒蝕剝離后,露出了內(nèi)層的對比度高的、缺陷少的納米條紋結(jié)構(gòu)。利用有限元法模擬計(jì)算了不同脈沖能量密度下表層結(jié)構(gòu)及駐波場的形成過程,并很好的解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(2)將飛秒脈沖誘導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)與雙光束干涉結(jié)合,在半導(dǎo)體表面制備了二維周期結(jié)構(gòu)。由于雙光束干涉的強(qiáng)度分布對納米條紋長度的限制作用,得到了周期性更好的規(guī)則納米條紋結(jié)構(gòu),并有望應(yīng)用于微光柵制備上。此外,改變激光參

4、數(shù),在飛秒脈沖能量較大的情況下,雙光束干涉能在半導(dǎo)體表面制備一種新的結(jié)構(gòu)-亞微米孔陣列。通過研究亞微米孔隨照射脈沖數(shù)的演化過程可以知道,亞微米孔是由激光誘導(dǎo)的長周期條紋演化形成的。雙光束干涉在此過程中具有非常重要的作用,其光強(qiáng)周期分布限制了長周期條紋在長度方向生長,使之隨著激光脈沖的照射只能加深、加寬,最終形成了亞微米孔。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)亞微米孔陣列能引起ZnO晶體在寬譜范圍內(nèi)的吸收增強(qiáng)。理論模擬發(fā)現(xiàn),ZnO表面結(jié)構(gòu)的Mie散射效應(yīng)導(dǎo)致了反射率的降低,激光燒蝕所致晶格結(jié)構(gòu)的破壞在透射率降低的過程中起著重要作用,從而引起了吸收增強(qiáng)。這些結(jié)

5、果可應(yīng)用于提高太陽能的利用效率。(3)將飛秒脈沖誘導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)與多光束干涉技術(shù)相結(jié)合,我們利用三光束、四光束干涉技術(shù)在多種半導(dǎo)體表面制備了納米-微米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)。在不同的光束間夾角及偏振組合情況下,在多種半導(dǎo)體表面制備得到了多種多樣的納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)。通過改變激光的偏振組合,使干涉花樣與納米花樣發(fā)生變化,激光偏振成為影響干涉的一個(gè)重要因素,增加了多光束干涉的多樣性和靈活性。我們理論計(jì)算了多光束干涉場的強(qiáng)度分布與偏振分布,很好地解釋了納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的形成。在此基礎(chǔ)上我們進(jìn)一步研究了納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光增強(qiáng)。拍攝的顯微發(fā)光照片說明了

6、其在二維顯示方面具有巨大的應(yīng)用潛力。(4)在飛秒激光照射ZnSe樣品的部分燒蝕斑上發(fā)現(xiàn)了激射現(xiàn)象,但這一現(xiàn)象出現(xiàn)的偶然性較大,可能是由于表面不均勻?qū)е侣瓷湟鸬?其研究意義在于微型激光器制造。下一步將研究激射的形成機(jī)制以及如何變化激光參數(shù)以控制激射的產(chǎn)生?！娟P(guān)鍵詞】：納米周期結(jié)構(gòu)納米-微米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)飛秒激光多光束干涉半導(dǎo)體發(fā)光增強(qiáng)吸收增強(qiáng)亞微米孔陣列激射【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)【學(xué)位級別】：博士【學(xué)位授予年份】：2010【分類號】：TN241;O436【目錄】：摘要6-8Abstract8-13第一章緒論13-271.1引言

7、131.2飛秒激光技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用13-181.3飛秒激光誘導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)概述18-231.4多光束干涉刻蝕技術(shù)概述23-261.5本論文工作內(nèi)容26-27第二章飛秒激光誘導(dǎo)納米周期結(jié)構(gòu)的物理機(jī)制27-432.1引言272.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀27-282.3實(shí)驗(yàn)裝置28-312.3.1激光打靶系統(tǒng)28-292.3.2泵浦-探測系統(tǒng)29-302.3.3樣品介紹30-312.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論31-372.4.1飛秒激光脈沖誘導(dǎo)短周期納米條紋31-362.4.2泵浦-探測實(shí)驗(yàn)結(jié)果36-372.5理論模擬37-422.5.1理論模型介紹37-382

8、.5.2納米條紋形成過程的理論模擬38-422.6本章總結(jié)42-43第三章利用飛秒激光雙光束干涉制備半導(dǎo)體表面二維周期結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用43-673.1引言433.2雙光束干涉實(shí)驗(yàn)裝置43-443.3雙光束干涉制備二維納米周期