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飞秒激光制备半导体表面纳米周期结构

贾鑫  
【摘要】: 自从飞秒激光出现后,超短脉冲激光与物质的相互作用就引起了广泛的关注。在此过程中,出现了许多引人注目的现象,例如飞秒脉冲诱导短周期纳米结构,其周期远小于激光波长。这在突破衍射极限的微光学器件制备、材料改性及二维平板显示等方面具有广阔的应用前景。但其形成机制仍然是一个让人困扰的问题。激光干涉刻蚀技术是制备一维光栅结构、二维、三维光子晶体的一种成熟而有效的方法。由于飞秒激光超短、超强的特性,激光干涉刻蚀技术有了更广阔的发展空间。本文重点研究了飞秒脉冲在半导体材料ZnO表面诱导纳米结构的机理,并将这种方法与多光束干涉技术相结合,在多种半导体表面制备出了多种花样的周期纳米图案。其主要内容如下: (1)飞秒脉冲在ZnO晶体表面诱导纳米结构的周期随脉冲能量、照射脉冲数变化。但在一定的激光强度范围内,经过大量飞秒脉冲的照射,其周期都趋近于λ/2n,n为材料折射率,λ为激光波长。本文提出了一种新的模型解释飞秒脉冲诱导纳米结构的形成机理,认为在纳米条纹的形成过程中,样品应分为上下两层分别讨论。表层直接与光相互作用,不同的脉冲能量及照射脉冲数下形成了不同的条纹结构;在内层中,由于飞秒激光照射过程中的非线性吸收及雪崩电离过程而产生了大量的纳米等离子体,介电常数随激光参数而变化,这些纳米等离子体对入射光具有散射作用。散射光相互作用而逐渐形成了强烈的驻波场,从而诱导形成规则的纳米条纹结构。当表层被烧蚀剥离后,露出了内层的对比度高的、缺陷少的纳米条纹结构。利用有限元法模拟计算了不同脉冲能量密度下表层结构及驻波场的形成过程,并很好的解释了实验结果。 (2)将飞秒脉冲诱导纳米结构与双光束干涉结合,在半导体表面制备了二维周期结构。由于双光束干涉的强度分布对纳米条纹长度的限制作用,得到了周期性更好的规则纳米条纹结构,并有望应用于微光栅制备上。此外,改变激光参数,在飞秒脉冲能量较大的情况下,双光束干涉能在半导体表面制备一种新的结构-亚微米孔阵列。通过研究亚微米孔随照射脉冲数的演化过程可以知道,亚微米孔是由激光诱导的长周期条纹演化形成的。双光束干涉在此过程中具有非常重要的作用,其光强周期分布限制了长周期条纹在长度方向生长,使之随着激光脉冲的照射只能加深、加宽,最终形成了亚微米孔。进一步研究发现亚微米孔阵列能引起ZnO晶体在宽谱范围内的吸收增强。理论模拟发现,ZnO表面结构的Mie散射效应导致了反射率的降低,激光烧蚀所致晶格结构的破坏在透射率降低的过程中起着重要作用,从而引起了吸收增强。这些结果可应用于提高太阳能的利用效率。 (3)将飞秒脉冲诱导纳米结构与多光束干涉技术相结合,我们利用三光束、四光束干涉技术在多种半导体表面制备了纳米-微米复合周期结构。在不同的光束间夹角及偏振组合情况下,在多种半导体表面制备得到了多种多样的纳米复合周期结构。通过改变激光的偏振组合,使干涉花样与纳米花样发生变化,激光偏振成为影响干涉的一个重要因素,增加了多光束干涉的多样性和灵活性。我们理论计算了多光束干涉场的强度分布与偏振分布,很好地解释了纳米复合周期结构的形成。在此基础上我们进一步研究了纳米复合周期结构的光致发光增强。拍摄的显微发光照片说明了其在二维显示方面具有巨大的应用潜力。 (4)在飞秒激光照射ZnSe样品的部分烧蚀斑上发现了激射现象,但这一现象出现的偶然性较大,可能是由于表面不均匀导致漫反射引起的,其研究意义在于微型激光器制造。下一步将研究激射的形成机制以及如何变化激光参数以控制激射的产生。


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