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飞秒激光制备硅微纳结构的机理及应用研究

关凯珉  
【摘要】:当固体材料的尺寸缩小到微纳米量级,会展现出特殊的光学性能、表面活性等物理及化学性质,因此得到了科研界的广泛关注。常见的微纳米结构有表面微纳结构、纳米粒子等,而传统的制备微纳结构手段主要有光刻工艺、自组织工艺、微机械工艺等等,但这些制备手段存在制备工艺复杂,操作自由度低等问题。随着飞秒脉冲激光的出现,为微纳结构制备技术提供了一种新的思路,由此出现了激光自诱导表面微纳结构、液相激光烧蚀法等制备微纳结构的新方法。激光加工技术有着工艺步骤简单、可控性和稳定性都较强的特点,使得激光制备微纳结构技术有着广阔的应用前景。但由于飞秒激光脉冲与固态材料之间复杂的物理过程,使得上述激光制备微纳结构技术在理论上或者应用上存在着一些问题。而本论文的工作就试图解决激光诱导表面结构技术和液相激光烧蚀法这两种微纳结构激光制备方法中存在的不足。激光诱导表面结构技术自从80年代出现以来,其初始形成过程的物理模型始终没有被清晰地展示。本文中,我们实验上向硅单晶100面照射不同偏振的脉冲序列,通过研究诱导微纳周期结构的方向与激光脉冲偏振方向的依赖性,证实了在表面微纳周期结构形成之前会先诱导形成一层改性层。结合基于Drude模型的理论分析和激光作用后表面的XRD、EDS谱图,我们提出了一个崭新的基于粗糙晶格缺陷层激光与表面等离子体波耦合干涉模型,“晶格缺陷层”作为改性层在表面周期微纳结构形成过程中起到种子作用。该工作补充了激光诱导表面结构中初始形成过程的物理模型,为将来激光诱导表面结构技术进一步发展有着积极意义。液相激光烧蚀法技术制备微纳结构粒子,具有适用性广、清洁环保及可制备材料多样性等特点,被认为是一种具有广阔应用前景的微纳结构制备新技术,但制备效率较低限制了其实现工业化生产。本文中,我们首创地集合微流控技术与液相激光烧蚀法二者技术上的优势,通过激光烧蚀微流控芯片中硅靶实现迅速高效地制备大尺寸晶格型和小尺寸圆球型纳米粒子。并且采用扫描电子显微镜、吸收光谱、发射光谱等测试手段对其形貌结构及分布情况进行表征,实验上得了硅微纳粒子制备效率对激光烧蚀功率与微流速率的依赖关系。最值得注意的是该方法成功地将液相激光烧蚀法最高制备效率提高到87.5 mg/min,对液相激光烧蚀法实现工业化生产有着实际的意义。


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