超短脉冲激光制备周期性微纳结构的研究

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表面微纳结构化在材料改性方面具有巨大的应用潜力,这些微纳结构明显地改善了材料在光学、机械、浸润性、化学、生物等方面的特性。为此,各种制备微纳结构的技术应运而生,例如,光刻技术、自组装技术、纳米压印技术、电子束刻蚀技术等,但这些技术的制备过程往往需要特殊的加工环境及一次性的掩膜版,这些都增加了加工的成本。而超短脉冲激光的诞生为我们制备微纳结构提供了便利的方式,激光干涉技术和激光诱导技术都被广泛应用于周期性微纳结构的制备。硅和ITO是重要的半导体材料,在光电器件领域都有着广泛的应用,表面的微纳结构化有效地改善了它们的光电特性。本文就激光干涉技术和激光诱导技术分别在<100>晶相的硅和60nm厚的ITO薄膜上制备的周期性微纳结构进行讨论,系统地研究了影响其形貌特征的因素,并对比了两种加工技术各自的优劣点。文中我们首先使用波长355nm的纳秒激光双光束干涉烧蚀硅表面,并辅助湿法腐蚀技术,制备出周期600nm以上的周期性微纳结构。在实验中,我们观察到:结构深度随激光功率和曝光时间增加而增大,但深度存在饱和值,最大深度约50nm,这与激光的趋肤深度有关;当曝光时间达到5s时,结构会发生周期劈裂。通过时域有限差分(FDTD)的理论模拟,我们发现已形成结构对于干涉光场存在负反馈调节,这是周期劈裂的主要原因。这些研究成果对硅基微纳结构器件的制备具有一定的意义。然后,我们使用波长343nm的飞秒激光在ITO薄膜上诱导亚波长结构。探讨了激光能量和脉冲数对结构形貌的影响,结果显示:近阈值功率作用下,配合高重频激光的多脉冲作用,可以制备结构均一且周期小于100nm的亚波长周期结构;结构周期随功率的减小而增大。并发现了聚焦光斑能量分布对诱导条纹周期的影响,验证了改变光斑能量分布可以改变结构周期,这为制备周期可控的亚波长周期结构提出了可行的方案。这些研究成果对使用短脉冲激光制备周期性微纳结构具有一定的指导作用,为人们提供了一步快速无掩膜的制备方法,加深了人们对光与物质相互作用的理解,拓宽了两种技术应用的场合。
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