基于方孔辅助电子动态调控晶硅表面周期性微纳结构方法

文档序号:8308698阅读:458来源:国知局
基于方孔辅助电子动态调控晶硅表面周期性微纳结构方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种晶硅表面周期性微纳结构生成方法,特别涉及一种基于方孔铜网辅助电子动态调控的飞秒激光调控晶硅表面微纳周期结构生成方法,属于飞秒激光应用技术领域。
【背景技术】
[0002]固体材料表面微纳结构是控制材料表面光学、润湿、化学、生物等特性的重要因素,因而有效的调节控制固体材料表面微纳结构成为一个研宄的重点。随着锁模及放大技术的出现,飞秒激光技术得到了飞速发展。飞秒激光表面微纳加工成为一个新颖且有效的表面处理技术,可在固体表面加工出不同形态的微纳结构,广泛用于光电子、生物传感、微纳流体、生物医药等方面。飞秒激光微纳加工与传统的微纳加工技术相比具有不可比拟的优点,主要表现在可加工任意材料包括金属、半导体、透明介质及聚合物;可对曲面进行加工;可加工微纳区域范围内的纳米结构。由于飞秒激光的超短脉冲宽度抑制了热扩散过程,所以飞秒激光可以在不对亚表面层产生显著影响的情况下改变表面形貌和结构,通过控制加工参数等就可以获得独特的材料表面微纳结构。
[0003]半导体单晶硅经飞秒激光辐照后可诱导产生不同形态的表面微纳结构,如表面波纹结构,微凸起结构等,改变了其表面材料的光学、电子学等性质,可广泛应用于光子学、光电子学、热辐射源和生物光学器件中。由于飞秒激光与物质的相互作用过程不同于传统的制造方法,极其复杂,使得对于晶硅表面微纳结构的控制加工制约了其实际的应用。现代光学研宄中,对光在微纳范围内进行控制及调制是一个重大的挑战,同时光加工范围内仅能加工产生出一个形态。通过辅助一些其它加工手段可以实现对表面微纳结构的控制加工,如光刻技术可以实现微纳结构的控制加工。文献“Laser printing of siliconnanoparticles with resonant optical electric and magnetic responses”中,Zywietz等人通过激光压印技术,采用SOI材料作为触发器,玻璃基底作为接收器,将飞秒激光脉冲作用于SOI材料表面将不同尺寸的硅纳米颗粒压印在接收器玻璃片上。但通过辅助掩模等方式进行的调节控制加工仍然为一个掩模版只能实现一种形态的控制。控制飞秒激光脉冲能量稍高于材料表面的烧蚀阈值,材料表面在多脉冲飞秒激光的作用下自组装烧蚀产生表面周期性微纳结构,这一自组装结构的产生机理为入射激光与表面等离子体干涉。光的衍射作为光波性质的一个重要性质,光在通过不同的孔可产生不同的衍射图样,对光场进行再调制。将光波的这一重要特性应用于固体材料飞秒激光诱导表面微纳结构的控制,可实现不同形态表面周期性微纳结构的调控产生。在固体基底表面辅助方孔铜网,通过激光近场衍射调控基底表面激光辐照区域电子激发密度,对激光激发表面等离子体的产生进行调控,从而影响微纳结构的烧蚀产生,为表面周期性微纳结构形态的调控产生提供了可能。

【发明内容】

[0004]本发明的目的是为解决现有单个掩模只能实现一种形态的加工,无法实现对表面周期性微纳结构多种形态进行精确高效控制加工的问题,提供一种基于方孔辅助电子动态调控的飞秒激光调控晶硅表面周期性微纳结构生成方法。
[0005]本发明的思想是基于局部瞬时电子激发动态调控,利用飞秒激光线偏振经物镜聚焦后通过方孔铜网聚焦于材料表面可实现不同表面周期性微纳结构的多种精确控制:(I)通过控制激光扫描速度及脉冲能量的大小,实现了条状表面波纹结构及多点阵列微纳结构的烧蚀加工;(2)控制激光偏振方向与方孔边缘方向(X轴)的相对位置可实现周期性微纳结构方向的控制;(3)通过有效调节线偏振激光方向与方孔边缘方向(X轴)夹角,实现晶硅表面周期性微纳结构的选择性烧蚀加工。具体实施方法,经物镜聚焦后的线偏振飞秒激光脉冲通过辅助方孔衍射调控被辐照区域基底材料激发瞬时局部电子密度,进而调控表面等离子体的激发与两者间的耦合,实现高效精确的表面周期性微纳结构形态的调控。
[0006]本发明的目的是通过以下技术来实现的。
[0007]基于方孔辅助电子动态调控的飞秒激光调控晶硅表面周期性微纳结构方法,包括以下步骤:
[0008]步骤一,将一定尺寸(如边长为6.5μπι或19μπι)的方孔铜网平铺置于样本基底材料表面之上;
[0009]步骤二,对应与所使用的方孔铜网边长大小选用合适的物镜以使得聚焦后的光斑大小与方孔大小相配合,单个聚焦光斑只对一个方孔区域产生烧蚀;
[0010]步骤三,调节激光能量:利用半波片-偏振片组合调节激光能量使之约为未辅助铜网晶硅表面烧蚀阈值的一半(辅助方孔铜网后材料的烧蚀阈值将降低),且激光能量能够连续调节;
[0011]步骤四,调节线偏振飞秒激光脉冲偏振方向与方孔边缘方向(X轴)的夹角β ;
[0012]步骤五,被加工样本固定在六维移动平台上,通过成像CXD的观测,调节六维移动平台使得聚焦后的飞秒激光脉冲透过方孔聚焦于样本基底材料表面;
[0013]步骤六,寻找飞秒激光脉冲直写调控表面周期性微纳结构形态的加工规律;
[0014]步骤七,按照步骤六找到的飞秒激光直写条件下表面周期性微纳结构形态的加工规律,结合实际加工要求(脉冲能量、脉冲速度及脉冲频率)选择加工所需夹角β,进行加工。
[0015]所述寻找飞秒激光脉冲直写调控表面周期性微纳结构形态的加工规律的具体方法如下:
[0016](一 )通过调节飞秒激光脉冲能量及直写速度调控表面周期性微纳结构形态:
[0017]在动态条件下,即加工方式为激光直写,激光脉冲与加工样本相对移动,设定激光脉冲能量、脉冲频率,并在加工过程中保持脉冲能量及脉冲频率不变。调节并固定线偏振飞秒激光方向与方孔边缘方向(X轴)夹角(0-90)保持不变,在特定的能量条件下(1/2基底材料表面烧蚀阈值),然后在一定速度范围内,按照设定速度间隔连续改变移动平台与激光焦点的相对速度;不同的直写速度使得透过方孔后的基底材料单位面积上淀积的聚焦激光脉冲能量不同,能够在晶硅基底材料表面烧蚀产生不同形态的表面周期性微纳结构;
[0018]所述激光直写条件下,调节激光脉冲能量及相对移动速度调节表面周期性微纳结构形态特征为:随着激光直写速度的逐渐增大,方孔覆盖区域首先形成线条状的表面周期性波纹结构(方向平行于方孔的一个边缘),且周期性线条状波纹结构的条数逐渐增大,当其增大至一定值后,表面微纳结构转变为周期性的点阵结构,且随着直写速度的增大,点数逐渐递增直至消失。
[0019]( 二)通过调节线偏振飞秒激光偏振方向与方孔边缘夹角调控表面周期性微纳结构的烧蚀程度,产生选择性烧蚀:
[0020]在激光直写条件下,保持(一)确定的能量大小,通过设定飞秒激光脉冲频率与激光直写速度,将激光透过方孔后淀积到材料表面的能量控制在一个固定值;然后在OS β <90°范围内(从0°开始到90°结束),按照设定角度间隔连续改变辐照到晶硅表面的线偏振飞秒激光偏振方向与方孔边缘夹角;不同的夹角对应材料表面不同的烧蚀程度表现出类余弦曲线分布的选择性表面微纳结构烧蚀;
[0021]所述激光直写条件下改变飞秒激光线偏振方向与方孔边缘夹角呈现出的类余弦曲线分布的特征为:曲线最低点为烧蚀抑制点,最高点为烧蚀最强点,最低点到最高
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