飛秒激光改性硅材料的物理機(jī)理及其性質(zhì)研究

馬明毅

摘要本文主要研究飛秒激光改性硅材料，將飛秒激光的應(yīng)用概況以及運(yùn)行機(jī)理作為根本出發(fā)點(diǎn)，分別用分子動(dòng)力學(xué)模型以及雙溫模型論述飛秒激光改性硅材料的物理機(jī)理。而通過(guò)直接觀察硅納米顆粒的外貌、發(fā)光譜、透射譜、反射譜和吸收譜等對(duì)飛秒激光改性硅材料的實(shí)際性質(zhì)進(jìn)行探究，以便能夠幫助人們更好地了解和認(rèn)知飛秒激光改性硅材料，從而將其靈活運(yùn)用在各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。

關(guān)鍵詞飛秒激光；改性；硅材料；物理機(jī)理；性質(zhì)

隨著激光的發(fā)明與廣泛應(yīng)用，人們逐漸感受到其自身具有的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，譬如說(shuō)具備較高的亮度、單色性以及方向性等，將其運(yùn)用在科學(xué)研究、軍事領(lǐng)域、通信領(lǐng)域等當(dāng)中均起到了重要的幫助作用。而在硅材料改性當(dāng)中飛秒激光具有精度高、速度快的重大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也使得改性后的硅材料可以具備良好的光電特性，并更好地運(yùn)用在我國(guó)發(fā)光技術(shù)、能源技術(shù)等眾多領(lǐng)域當(dāng)中。因此本文將在此背景下，著重圍繞飛秒激光改性硅材料的物理機(jī)理及其性質(zhì)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析研究。

1飛秒激光的簡(jiǎn)要概述

1.1應(yīng)用概況

伴隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，飛秒激光技術(shù)也在各領(lǐng)域當(dāng)中得到了廣泛的實(shí)踐與應(yīng)用，并且在理論研究方面的價(jià)值也越來(lái)越高。在研究改性硅材料的物理機(jī)理及其性質(zhì)方面，飛秒激光提供了一種全新的物理素材與研究方法。除了作為一種探測(cè)工具之外，飛秒激光同樣也可以在短時(shí)間內(nèi)迅速通過(guò)試件分辨探測(cè)出物理過(guò)程，并且在時(shí)間分辨技術(shù)的幫助下甚至可以看到許多人眼無(wú)法識(shí)別的物理現(xiàn)象及運(yùn)動(dòng)過(guò)程。不僅如此，在飛秒激光與改性材料相互作用當(dāng)中也包含了大量的物理內(nèi)容，譬如說(shuō)非線性學(xué)、等離子體產(chǎn)生與演化等，而人們通過(guò)分析飛秒激光的物理作用及物理運(yùn)動(dòng)過(guò)程，也能夠更加全面清晰地認(rèn)知飛秒激光改性硅材料的物理機(jī)理及性質(zhì)。

1.2運(yùn)行機(jī)理

在飛秒激光的運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，鎖模是飛秒激光實(shí)現(xiàn)脈沖的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。具體來(lái)說(shuō)，鎖模技術(shù)也可以被細(xì)分為被動(dòng)鎖模和主動(dòng)鎖模。飛秒激光器通過(guò)這兩種不同的鎖模形式可以有效輸出飛秒脈沖序列，但在輸出過(guò)程中，鑒于飛秒脈沖能量不大，因此為了能夠有效增大飛秒脈激光脈沖的能量，往往會(huì)選擇采用調(diào)速再生放大技術(shù)。而在飛秒脈沖轉(zhuǎn)化能量的過(guò)程當(dāng)中，考慮到增益介質(zhì)的損傷閥值，為了能夠有效降低實(shí)際峰值的運(yùn)行功率，通常情況下會(huì)采用光柵對(duì)將短脈沖展寬，再通過(guò)增益介質(zhì)適當(dāng)增大飛秒脈沖的實(shí)際運(yùn)行能量，進(jìn)而通過(guò)光柵對(duì)將寬脈沖壓窄，最終獲得具有更高能量的飛秒激光脈沖。

2飛秒激光改性硅材料的物理機(jī)理

2.1分子動(dòng)力學(xué)模型

使用分子動(dòng)力學(xué)模型能夠在微觀動(dòng)力學(xué)的角度，對(duì)飛秒激光刻蝕硅材料的過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，而在此過(guò)程當(dāng)中主要包括氣化、同質(zhì)成核、光致機(jī)械碎裂3種不同的激勵(lì)。在迅速沉積的作用機(jī)制影響下，飛秒激光能量會(huì)在短時(shí)間內(nèi)引起局部膨脹，并在其內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生一種巨大的集中應(yīng)力，進(jìn)而使得機(jī)械發(fā)生碎裂。通過(guò)使用分子動(dòng)力學(xué)模型，并集合原子動(dòng)力學(xué)、載流子動(dòng)力學(xué)等分析飛秒脈沖的激光刻蝕改性硅材料，我們可以觀察到在硅材料的表面，出現(xiàn)了一種完全不同于爆炸式沸騰現(xiàn)象的飛秒激光刻蝕作用下產(chǎn)生的快速熱膨脹物理現(xiàn)象以及等容升溫現(xiàn)象，而是產(chǎn)生了一種非絕緣熱膨脹物理現(xiàn)象。也就是說(shuō)受到飛秒激光刻蝕作用的影響，硅材料高溫金屬性液體將會(huì)發(fā)生破裂。因此，我們也可以認(rèn)為飛秒激光改性硅材料的表面出現(xiàn)迅速非絕緣的熱膨脹是其發(fā)生相爆炸的重要作用條件，其膨脹時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于熱擴(kuò)散開(kāi)始時(shí)間。因此在短時(shí)間內(nèi)硅材料表面受到持續(xù)飛秒脈沖激光作用，將會(huì)使得內(nèi)部體積迅速膨脹；而當(dāng)硅材料當(dāng)中沉積的能量無(wú)法充分釋放時(shí)將會(huì)爆炸。

2.2雙溫模型

在飛秒激光輻射硅材料表面之后，會(huì)在亞皮秒時(shí)間刻度內(nèi)使得硅材料的表面電子以及晶格溫度處于一種非靜態(tài)的失衡狀態(tài)。因此，一旦需要分析計(jì)算硅材料表面的瞬態(tài)熱力學(xué)作用機(jī)制過(guò)程，就需要認(rèn)真考慮硅材料的晶格以及電子。而美國(guó)物理學(xué)家于20世紀(jì)80年代，在線性遷移理論的指導(dǎo)下通過(guò)自制自洽模型，分析研究了硅材料表面在飛秒激光脈沖作用下，表面的高濃度等離子動(dòng)力學(xué)過(guò)程，而在此過(guò)程中物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)粒子束平衡理論在描述和反映飛秒激光改性硅材料物理機(jī)理方面具有較好的精準(zhǔn)性。實(shí)驗(yàn)證明在530mm的飛秒激光脈沖下在作用時(shí)間段內(nèi)，硅材料的晶體格與等離子體之間一直處于一種空間不均勻的冷平衡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；而在1060mm的飛秒激光脈沖下，雖然硅材料的初始吸收率并不大，但其載流子溫宿和濃度卻仍然無(wú)法達(dá)到預(yù)期的高數(shù)值，由此我們可以看出自由載離子和雙光子吸收在飛秒激光改性硅材料的物理機(jī)理當(dāng)中具有重要地位。

3飛秒激光改性硅材料的性質(zhì)

本文使用石英玻璃基底在飛秒激光沉積下，會(huì)通過(guò)沉積納米粒組成薄膜，然后使用微構(gòu)造和單晶硅靶材沉積硅納米粒的薄膜，進(jìn)而研究飛秒激光改性硅材料的性質(zhì)。

3.1硅納米顆粒外貌

通過(guò)研究我們可以得知，在石英玻璃基底下沉積的硅納米顆粒其實(shí)際粒徑大概在數(shù)十到數(shù)百納米之間，并且經(jīng)過(guò)截然不同的團(tuán)聚作用后，小納米顆粒將會(huì)變大。而使用微構(gòu)造硅靶材料沉積制備的薄膜中有著更多的小顆粒，與此同時(shí)硅材料表面具有較高的空隙率，在退火之后表面的納米顆粒會(huì)出現(xiàn)再融合現(xiàn)象，因此我們有理由認(rèn)為硅材料當(dāng)中的大納米顆粒實(shí)際變化情況，與其表面的致密程度之間有著緊密的聯(lián)系。

3.2透射譜、反射譜、吸收譜

從分析透射譜、反射譜、吸收譜的結(jié)果可以得知，尚未經(jīng)過(guò)退火的納米顆粒薄膜表現(xiàn)出良好的可見(jiàn)光減少反射效應(yīng)；而經(jīng)過(guò)退火的納米顆粒薄膜反而對(duì)可見(jiàn)光的反射效率出現(xiàn)上升趨勢(shì)，減反效應(yīng)卻在逐漸減小。此時(shí)此刻退火樣品的反射譜峰將完全取決于硅材料表面的納米顆粒直徑。值得注意的是，單晶硅材料的納米顆粒薄膜，在波段為1150nm的微構(gòu)造硅納米顆粒薄膜當(dāng)中表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸附性。

3.3發(fā)光譜

納米顆粒薄膜的光學(xué)性質(zhì)往往會(huì)受到表面孔隙、顆粒尺寸等的影響，而通過(guò)分析樣品材料的發(fā)光譜我們可以發(fā)現(xiàn)，其中有一條連續(xù)譜光纖，并且飛秒激光的衰減變快速度非?？?。這一變化速度同泵浦光的儀器響應(yīng)函數(shù)、光致發(fā)光衰減曲線之間有著緊密的線性關(guān)系，由此我們也可以推斷出硅納米材料具有強(qiáng)烈的非線性。而這也恰恰是產(chǎn)生超連續(xù)譜的重要影響因素，對(duì)該光致發(fā)光超連續(xù)譜產(chǎn)生的閡值有明顯降低作用。

4結(jié)論

總而言之，本文通過(guò)利用分子動(dòng)力學(xué)模型和雙溫模型對(duì)飛秒激光改性硅材料的物理機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，了解到不同的模型研究側(cè)重點(diǎn)也各不相同，但二者均可以在一定程度上準(zhǔn)確反映和模擬出飛秒激光改性硅材料的作用機(jī)理，以及材料表面電子溫度、濃度等時(shí)空分布情況，因此二者均具有較好的實(shí)踐研究意義。不僅如此，通過(guò)認(rèn)真觀察分析硅納米顆粒的外貌、發(fā)光譜、反射譜等我們也可以準(zhǔn)確得知飛秒激光改性硅材料具有強(qiáng)烈的非線性、吸附性等性質(zhì)。但由于時(shí)間和條件限制，本研究還存在一定的不足，希望在將來(lái)的工作中可以繼續(xù)改進(jìn)。endprint