纳米孔阵列因为其卓越的物理、化学、光电学等特性使其在太阳能电池、发光器件、电化学储能、纳米光子学和传感器等领域具有广泛的应用。随着纳米加工技术的发展,纳米孔阵列的加工方法在逐步改善和提高,但仍然存在着加工设备昂贵(聚焦离子束加工)、只能加工导电材料(电化学加工)等问题。目前,利用激光辐照基底表面致密排列的单层微球,能够在基底上加工出纳米孔阵列。该方法能够实现快速的纳米孔阵列加工且成本低,对环境要求不高。然而,目前加工出的纳米孔周围存在明显的烧蚀溅射物,并且纳米孔的几何形状精度较差。另外,纳米孔尺寸与激光加工参数、微球尺寸和材质的对应关系,以及纳米孔阵列在不同实际应用中的最优结构尺寸还有待进一步研究。因此,针对上述问题,本课题将开展以下4个方面的研究内容:(1)优化单层微球铺设的工艺参数。通过单因素变量法,逐个优化影响微球排列的3个主要因素:水与无水乙醇的比例(Prop),十二烷基磺酸钠溶液(SDS)的溶度和SDS添加量。实验结果表明,当Prop为1:1,SDS的浓度为6 wt%,添加量为1 ml时,能够得到紧密排列的单层微球。(2)微球辅助红外皮秒激光加工纳米孔阵列实验研究。分别以硅和蓝宝石为加工基底材料,研究了激光能量、聚苯乙烯微球直径以及基底表面镀金膜对纳米孔的形貌、尺寸的影响规律。实验结果表明,随着激光能量、微球直径的增大,纳米孔的孔径和孔深逐渐增加。当激光能量为30-35μJ,微球直径1.0μm时,在硅基底上能加工出形貌较好的纳米孔阵列,纳米孔的孔径范围350-550 nm,深度范围60-100 nm;当激光能量为160-180μJ,微球直径1.5μm时,在蓝宝石基底上能加工出阵列纳米孔,孔径约350-450 nm,深度约50 nm;(3)在硅基底上镀一层薄金膜可以明显减少基底表面的熔融物质、碎屑等,同时金膜能够改善纳米孔的轮廓形貌。在相同的加工参数下,金膜辅助微球在硅片表面加工纳米孔的孔径和孔深约增大1/10。(4)纳米孔阵列结构应用在晶体硅太阳能电池中的结构参数优化。通过设计单因素实验,得到了纳米孔的直径、深度和间距的最优尺寸。仿真结果表明,当柱形孔的孔深250 nm、孔径300 nm、孔间距50 nm,锥形孔的孔深250 nm、孔径400 nm、孔间距30 nm时,在近紫外、可见光波段范围内明显可以提高纳米孔阵列用于晶体硅太阳能电池上的光吸收效率,光吸收效率最大提高约2.6倍。(5)纳米孔阵列结构应用在GaN基LEDs蓝宝石衬底上的结构参数优化。通过设计正交试验,分析了孔径、孔深和孔间距对GaN基LEDS光提取效率的影响权重因子,并优化了纳米孔的尺寸,得到LEDS的最大出光效率。当柱形孔的孔深140 nm、孔径300 nm、孔间距70 nm时,效果最佳,光提取效率增强1.82倍。当锥形孔的孔深180 nm、孔径360 nm、孔间距10 nm时,光提取效率增强1.70倍。