低能離子束誘導(dǎo)晶體表面納米自組織結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能.pdf

1、低能離子束濺射/刻蝕固體表面形成自組織納米微結(jié)構(gòu),是一種高效、簡(jiǎn)便、低成本制造大面積有序納米結(jié)構(gòu)的方法。該方法具有加工精度高、改變離子束參數(shù)可實(shí)現(xiàn)納米微結(jié)構(gòu)的尺寸控制、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)。因此,低能離子束刻蝕晶體表面形成自組織納米結(jié)構(gòu)近年來一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。本文針對(duì)單晶硅和藍(lán)寶石材料,研究了不同離子束參數(shù)刻蝕形成規(guī)則自組織納米微結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù),所取得主要研究成果是:
　　1.對(duì)離子束刻蝕形成納米微結(jié)構(gòu)的理論模型進(jìn)行了分析和

2、仿真。分析了基于sigmund濺射理論的 BH模型和 MCB模型,通過引入離子束誘導(dǎo)項(xiàng)和非線性項(xiàng),MCB模型對(duì) BH模型不能解釋的低溫下納米結(jié)構(gòu)形成及長(zhǎng)時(shí)間刻蝕飽和的不足進(jìn)行了改進(jìn)。本文針對(duì) MCB模型進(jìn)行了詳細(xì)的分析和仿真,建立了刻蝕項(xiàng)、分散項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)與離子束參數(shù)的關(guān)系,闡釋了納米自組織結(jié)構(gòu)的形成原因及演變過程。
　　2.建立了樣品旋轉(zhuǎn)時(shí)自組織納米點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)形成的數(shù)學(xué)模型,確定了不定形層熱擴(kuò)散是單晶硅主要擴(kuò)散機(jī)制,獲得了單晶硅的納

3、米微結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)離子束能量1000eV、束流密度2652??cm A?、樣品不旋轉(zhuǎn)時(shí),離子束小角度(5??40?)刻蝕單晶硅表面可獲得條紋狀納米結(jié)構(gòu);增大入射角度(40??50?),樣品表面趨于光滑;繼續(xù)增大入射角度到65?以后樣品表面出現(xiàn)柱狀納米結(jié)構(gòu)。而當(dāng)樣品旋轉(zhuǎn)時(shí),在相同離子束參數(shù)作用下,在較小離子入射角度(5??40?)和較大入射角度(65?85?)都可獲得納米點(diǎn)狀結(jié)構(gòu),尺度約為50?85納米,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的正確性。<

4、br>　　3.獲得了藍(lán)寶石納米結(jié)構(gòu),針對(duì)藍(lán)寶石晶體結(jié)構(gòu),提出了3+1維數(shù)學(xué)模型,揭示了離子束刻蝕下藍(lán)寶石表面形貌的演變規(guī)律;確定了離子束誘導(dǎo)擴(kuò)散是藍(lán)寶石表面主要的擴(kuò)散機(jī)理。利用 Ar+離子束刻蝕藍(lán)寶石,在離子束能量1200eV、束流密度2652??cm A?、樣品不旋轉(zhuǎn)下,在5??20?和35??45?時(shí),形成了縱向尺度較小的點(diǎn)狀納米結(jié)構(gòu),有序性較差;在30?附近,樣品表面趨于光滑,增大入射角度到45?,樣品表面出現(xiàn)有序的條紋結(jié)構(gòu),條紋

5、方向與離子束方向垂直,繼續(xù)增大離子束入射角度,在離子束入射方向出現(xiàn)柱狀結(jié)構(gòu),垂直于離子束方向仍保持規(guī)則的有序條紋狀結(jié)構(gòu),且樣品表面粗糙度迅速增大。不同于單晶硅,離子束能量在藍(lán)寶石中分布各向異性,藍(lán)寶石表面弛豫主要是離子束誘導(dǎo)機(jī)制,利用建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)刻蝕結(jié)果進(jìn)行了仿真與分析。
　　4.建立了 Ar+離子束能量與刻蝕后藍(lán)寶石表面形貌的關(guān)系,揭示了不同表面形貌形成的機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)相同角度,不同能量刻蝕后藍(lán)寶石樣品表面也會(huì)出現(xiàn)多種納米結(jié)

6、構(gòu)。在入射角度65?、能量較小(600?750eV)時(shí),樣品表面出現(xiàn)點(diǎn)狀結(jié)構(gòu),增加能量到900eV,樣品表面出現(xiàn)規(guī)則的條紋狀結(jié)構(gòu),繼續(xù)增大能量,樣品在離子束入射方向出現(xiàn)柱狀結(jié)構(gòu),垂直方向?yàn)橛行驐l紋狀結(jié)構(gòu)。滲透深度及能量各向異性分布是納米結(jié)構(gòu)形貌演變的主要因素。
　　5.提出了使用離子束刻蝕形成的有序納米結(jié)構(gòu)提高樣品透過率的方法。在1100nm?2000nm波長(zhǎng)范圍內(nèi),利用 Ar+刻蝕單晶硅,當(dāng)離子束能量1000eV、束流密度265

7、2??cm A?,在入射角度15?、樣品不旋轉(zhuǎn)時(shí),表面形成的規(guī)則條紋結(jié)構(gòu)可使透過率提高約8％;而在入射角度65?、樣品旋轉(zhuǎn)時(shí),形成的規(guī)則點(diǎn)狀結(jié)構(gòu),可使透射率提高約15%;透過率隨納米結(jié)構(gòu)的有序性及縱向尺寸的增大而提高。引入等效折射率理論解釋了樣品表面減反射的現(xiàn)象。
　　6.研究了刻蝕時(shí)間對(duì)單晶硅和藍(lán)寶石刻蝕的影響規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)增加刻蝕時(shí)間,納米結(jié)構(gòu)形貌未發(fā)生變化,但納米結(jié)構(gòu)縱向尺度增大,有序性增強(qiáng),長(zhǎng)時(shí)間刻蝕后趨于飽和,此時(shí)模型非