飛秒激光改性硅材料的物理機(jī)理及其性質(zhì)研究

辛 旺

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院,山西 太原 030006)

?

飛秒激光改性硅材料的物理機(jī)理及其性質(zhì)研究

辛 旺

(山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院,山西 太原 030006)

隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光加工在工業(yè)生產(chǎn)中得到了十分廣泛的應(yīng)用，例如常見的激光打孔、激光焊接、激光切割以及微納加工、材料表面的處理以及改性等，激光加工不僅具有精度較高的特點(diǎn)，而且激光加工的速度很快，最大的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)是可以適應(yīng)于不同的加工材料中，激光加工技術(shù)對(duì)于硬度以及熔點(diǎn)特別高的材料也能夠進(jìn)行不斷加工處理。

飛秒激光；改性硅材料；物理機(jī)理；性質(zhì)

在當(dāng)前的社會(huì)背景下，硅材料[1]在我國的電子信息方面發(fā)揮著十分重要的作用，因此飛秒激光制備的硅材料受到人們的廣泛重視。例如，常見的表面微構(gòu)造硅材料以及硅納米晶、飛秒激光摻雜的硅材料等，這些改性硅材料不僅具有很好的光電特性，而且可以實(shí)現(xiàn)發(fā)光、表面減反、光電響應(yīng)以及光譜高吸收等，在此過程中能夠有效實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有硅基材料的兼容，所以這些改性硅材料在我國的發(fā)光技術(shù)領(lǐng)域、能源技術(shù)領(lǐng)域以及發(fā)電探測等眾多的技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)揮著非常重要的作用。

1飛秒激光的概況以及應(yīng)用情況分析

在新的科學(xué)技術(shù)層出不窮的時(shí)代背景下，我國的飛秒激光技術(shù)[2]不僅在工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中得到了實(shí)踐與應(yīng)用，而且在理論研究方面也具有重要的研究價(jià)值。飛秒激光為人們研究改性硅材料的物理機(jī)理以及具體的性質(zhì)特點(diǎn)提供了一種新的物理素材與創(chuàng)新的研究方法。飛秒激光技術(shù)不僅可以作為一種超快的探測工具，也可以對(duì)一些超快的物理過程進(jìn)行試件分辨與探測，而且采用飛秒激光時(shí)間分辨技術(shù)可以看到很多人眼無法識(shí)別的物理現(xiàn)象與物理運(yùn)動(dòng)過程。

除此之外，飛秒激光與改性材料相互作用的過程中也包含了超快變相、非線性光學(xué)、等離子體產(chǎn)生與演化、非平衡態(tài)的池豫等豐富的物理內(nèi)容，通過對(duì)飛秒激光的這一物理作用過程進(jìn)行分析，以便于人們對(duì)飛秒激光改性硅材料的具體物理機(jī)理以及其性質(zhì)有清晰的認(rèn)知。

2飛秒激光的運(yùn)行機(jī)理分析

目前，飛秒激光在我國工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)踐已經(jīng)非常完善，并形成了一個(gè)成熟的應(yīng)用體系。因此，對(duì)飛秒激光改性硅材料的物理機(jī)理以及其性質(zhì)進(jìn)行研究分析，首先需要對(duì)飛秒激光的具體原理進(jìn)行分析研究。

其實(shí)，在飛秒激光運(yùn)行過程中能夠使飛秒激光實(shí)現(xiàn)脈沖的重要技術(shù)就是鎖模，而鎖模這一關(guān)鍵脈沖技術(shù)又可分為被動(dòng)鎖模與主動(dòng)鎖模，被動(dòng)鎖模主要是指通過對(duì)某一種相同初始相位值的縱模進(jìn)行針對(duì)性選擇，然后使其在腔內(nèi)產(chǎn)生一種不斷增益的諧振，諧振會(huì)導(dǎo)致腔內(nèi)的其他模式進(jìn)一步被抑制，從而實(shí)現(xiàn)有效鎖模。與被動(dòng)鎖模不同，主動(dòng)鎖模是通過采用諸如聲光調(diào)制、電光調(diào)制等外加劑的形式實(shí)現(xiàn)模式的鎖定。經(jīng)過兩種不同的鎖模形式，飛秒激光器可以將飛秒脈沖的序列進(jìn)行有效輸出，但在此輸出過程中由于飛秒脈沖的能量較小，因此需要采用調(diào)速再生放大技術(shù)將飛秒脈激光脈沖的能量不斷增大。在飛秒脈沖的能量轉(zhuǎn)化過程中，由于考慮到增益介質(zhì)的損傷閥值，因此需要采用光柵對(duì)將短脈沖展寬，從而有效地降低其峰值的實(shí)際運(yùn)行功率，此時(shí)需要再通過增益介質(zhì)對(duì)飛秒脈沖的實(shí)際運(yùn)行能量進(jìn)行適當(dāng)增大，隨之可以采用光柵對(duì)將寬脈沖壓窄，經(jīng)過這一過程，最終獲得更高能量的飛秒激光脈沖。

3飛秒激光改性硅材料的物理機(jī)理分析

關(guān)于飛秒激光與改性硅材料的相互作用機(jī)理，通常在研究實(shí)踐過程中采用雙溫模型與分子動(dòng)力學(xué)這兩種常見的理論模型進(jìn)行研究分析。

3.1分子動(dòng)力學(xué)模型用于分析飛秒激光改性硅材料物理機(jī)理

在我國的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，相關(guān)的學(xué)者在對(duì)飛秒激光改性硅材料的物理機(jī)理進(jìn)行研究分析過程中，通常會(huì)采用分子動(dòng)力學(xué)模型來模擬飛秒激光刻蝕硅材料的微觀動(dòng)力學(xué)過程。其中，在這一刻蝕過程中主要包括三種不同的作用機(jī)理，這三種不同的作用機(jī)理都會(huì)在一定程度上受到沉積激光能量的巨大影響。

這三種不同的機(jī)理主要包括氣化、同質(zhì)成核以及光致機(jī)械碎裂，飛秒激光能量由于受到快速沉積的作用機(jī)制從而引起局部的迅速膨脹，由此使飛秒激光內(nèi)部產(chǎn)生巨大的內(nèi)部集中應(yīng)力，從而使機(jī)械發(fā)生破碎。在此過程中通過采用一種獨(dú)特的物理模型對(duì)飛秒脈沖的激光刻蝕改性硅材料進(jìn)行分析研究，通過論證發(fā)現(xiàn)，在物理模型的分子動(dòng)力學(xué)以及統(tǒng)一的蒙特卡洛結(jié)構(gòu)體系內(nèi)，結(jié)合了原子動(dòng)力學(xué)與載流子動(dòng)力學(xué)，最終的分析結(jié)果證明，通過飛秒激光的刻蝕作用[3]，在硅材料的表面出現(xiàn)了一種快速熱膨脹與等容升溫的物理現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致硅材料產(chǎn)生爆炸式沸騰以及相爆炸的情況。而硅材料在飛秒脈沖激光的作用機(jī)制下，硅材料的表面出現(xiàn)的是一種與爆炸式沸騰相反的物理現(xiàn)象，這種現(xiàn)象就是非絕緣的熱膨脹過程，在此過程中硅材料高溫金屬性液體破裂會(huì)受到飛秒激光的刻蝕作用。

因此，從整個(gè)飛秒激光改性硅材料的物理作用機(jī)制來看，硅材料表面實(shí)現(xiàn)迅速絕熱膨脹是飛秒激光改性硅材料發(fā)生相爆炸的重要作用條件，即硅材料的熱擴(kuò)散開始時(shí)間要晚于其發(fā)生膨脹的時(shí)間。所以，只有當(dāng)硅材料的表面受到持續(xù)時(shí)間很短的飛秒脈沖激光作用，才會(huì)迅速升溫導(dǎo)致內(nèi)部體積不斷膨脹；當(dāng)硅材料中沉積的能量來不及充分釋放，就會(huì)發(fā)生爆炸。

3.2雙溫模型用于分析飛秒激光改性硅材料物理機(jī)理

與分子動(dòng)力學(xué)模型的作用研究機(jī)制不同，在對(duì)飛秒激光改性硅材料的物理機(jī)理以及其性質(zhì)進(jìn)行研究分析時(shí)，還需要通過采用雙溫模型進(jìn)行研究分析。當(dāng)硅材料的表面有飛秒激光進(jìn)行輻射之后，在亞皮秒時(shí)間刻度之內(nèi)就會(huì)使硅材料的表面電子溫度以及晶格溫度處于一種動(dòng)態(tài)的非平衡狀態(tài)。所以，一旦需要對(duì)硅材料表面的瞬態(tài)熱力學(xué)作用機(jī)制過程進(jìn)行分析計(jì)算，就一定要通過對(duì)硅材料的晶格以及電子進(jìn)行分析考慮。早在1986年，美國的物理學(xué)家采用線性遷移理論通過自制的自洽模型，對(duì)飛秒激光脈沖作用下的硅材料表面高濃度等離子動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行了研究分析。在這一自洽模型中，他重點(diǎn)融合了晶格熱平衡理論以及粒子數(shù)平衡、載流子能量平衡等幾種具體的模型理論，其中粒子數(shù)平衡理論可以準(zhǔn)確反映飛秒激光改性硅材料的物理機(jī)理。

通過對(duì)飛秒激光作用之下的硅材料表面的熱力學(xué)過程進(jìn)行模擬分析，結(jié)果證明在530毫米的飛秒激光激發(fā)作用下，硅材料在脈沖作用時(shí)間段之內(nèi)，晶體格與等離子體之間處于一種非熱平衡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而且這種運(yùn)行狀態(tài)呈現(xiàn)出很大的空間不均勻性。而與1060毫米的激光相比，盡管硅材料的初始吸收率較小，但是硅材料的載流子溫度以及載流子濃度依然難以達(dá)到預(yù)期的高數(shù)值要求，此時(shí)飛秒激光改性硅材料的整個(gè)物理機(jī)制中，自由載離子吸收與雙光子吸收占據(jù)統(tǒng)治的作用地位。

因此，對(duì)于上述兩種不同的物理學(xué)研究模型而言，由于其具體的作用機(jī)制不同，所以各自具有不同的研究特點(diǎn)，從總體的研究分析情況來看，動(dòng)力學(xué)模型與雙溫模型在某種程度上都可以準(zhǔn)確反映和模擬飛秒激光改性脈沖硅材料的物理作用機(jī)理以及硅材料表面的電子溫度、電子濃度、晶格溫度的實(shí)際時(shí)空分布情況，從而定性、定量地對(duì)整個(gè)硅材料的電子晶格瞬態(tài)池豫過程進(jìn)行界定和描述，使其具有良好的實(shí)踐研究意義與理論分析意義。

4飛秒激光改性硅材料的性質(zhì)研究

通過上文中對(duì)飛秒激光的改性材料的物理機(jī)理以及其性質(zhì)進(jìn)行研究分析之后，本文采用飛秒激光沉積的方式在石英玻璃的基底中通過沉積納米粒組成薄膜，然后分別采用微構(gòu)造硅靶材以及單晶硅靶材將硅納米顆粒的薄膜進(jìn)行沉積，從而通過對(duì)其具體的性質(zhì)進(jìn)行分析，在此過程中研究退火對(duì)硅納米顆粒薄膜造成的巨大影響。

通過研究發(fā)現(xiàn)，沉積在基底的硅納米顆粒的實(shí)際粒徑分布在數(shù)十納米到數(shù)百納米之間，而且小的納米顆粒經(jīng)過不同的團(tuán)聚作用會(huì)形成更大的納米顆粒，相比之下，采用微構(gòu)造硅靶材料制備的納米顆粒薄膜中的小顆粒更多，而且其中的團(tuán)聚現(xiàn)象較弱，硅材料表面的空隙率較高，經(jīng)過退火之后，樣品表面的納米顆粒出現(xiàn)再融合的情況，而從其中的熔合現(xiàn)象[4]中發(fā)現(xiàn)，硅材料表面的致密程度與其中的大納米顆粒的實(shí)際變化情況具有一定的關(guān)聯(lián)性。

而且經(jīng)過透射譜以及反射譜和吸收譜的分析結(jié)果進(jìn)一步表明，沒有經(jīng)過退火的納米顆粒薄膜具有良好的減反效應(yīng)，而經(jīng)過退火之后的樣品則對(duì)可見光的反射效率在不斷上升。在此變化過程中，可見光的減反效果在不斷降低，此時(shí)硅材料的表面納米顆粒的尺寸會(huì)決定退火樣品的反射譜峰，對(duì)于單晶硅材料的納米顆粒薄膜，1550nm波段的微構(gòu)造硅納米顆粒薄膜具有很強(qiáng)的吸附性特征，而這一吸附性特征是由微構(gòu)造硅納米顆粒中的硫雜質(zhì)所造成的一種現(xiàn)象。

綜上所述，從這些實(shí)際的性質(zhì)特點(diǎn)中可以看出，摻雜情況以及表面空隙、顆粒的實(shí)際尺寸大小是影響納米顆粒薄膜光學(xué)性質(zhì)的主要因素。在此過程中，通過對(duì)樣品材料進(jìn)行光致發(fā)光分析研究，發(fā)現(xiàn)其中存在一條連續(xù)譜的發(fā)光光線，而且飛秒激光具有超快的衰減變化速度，這一實(shí)際的變化速度與泵浦光的儀器響應(yīng)函數(shù)以及光致發(fā)光衰減曲線存在一定的線性相關(guān)性。因此，從中可以推測出該超連續(xù)譜為泵浦光產(chǎn)生的光致發(fā)連續(xù)譜，并由此可以看出，硅納米材料具有很強(qiáng)的非線性，這是導(dǎo)致該超連續(xù)譜產(chǎn)生的實(shí)際影響因素，從而大大降低了該光致發(fā)光超連續(xù)譜的產(chǎn)生閾值。所以，對(duì)飛秒激光改性硅材料的物理機(jī)理及其性質(zhì)進(jìn)行研究，在某種程度上可以為人類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

[1]柴路,胡明列,方曉惠,等.光子晶體光纖飛秒激光技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國激光,2013(1):7-20.

[2]王文亭,胡冰,王明偉.飛秒激光精細(xì)加工含能材料[J].物理學(xué)報(bào),2013(6):69-74.

[3]高勝淼,韓培高,閆珂柱.飛秒激光對(duì)硅表面微構(gòu)造的研究進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2013(11):16-22.

[4]朱敏,李曉紅,李國強(qiáng),等.飛秒脈沖激光輻照對(duì)硅發(fā)光性能的影響[J].物理學(xué)報(bào),2014(5):389-396.

(責(zé)任編輯：高 堅(jiān))

2016-03-12

TN24

A

1673-8535(2016)03-0034-03

辛旺(1986-)，男，山西大同人，山西大學(xué)物理電子工程學(xué)院教師，碩士，研究方向：凝聚態(tài)物理。