低能離子束誘導晶體表面納米自組織結構及光學性能.pdf

1、低能離子束濺射/刻蝕固體表面形成自組織納米微結構,是一種高效、簡便、低成本制造大面積有序納米結構的方法。該方法具有加工精度高、改變離子束參數可實現納米微結構的尺寸控制、易于實現自動化等特點。因此,低能離子束刻蝕晶體表面形成自組織納米結構近年來一直是學術界研究的熱點。本文針對單晶硅和藍寶石材料,研究了不同離子束參數刻蝕形成規(guī)則自組織納米微結構的關鍵技術,所取得主要研究成果是:
　　1.對離子束刻蝕形成納米微結構的理論模型進行了分析和

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項和非線性項,MCB模型對 BH模型不能解釋的低溫下納米結構形成及長時間刻蝕飽和的不足進行了改進。本文針對 MCB模型進行了詳細的分析和仿真,建立了刻蝕項、分散項和擴散項與離子束參數的關系,闡釋了納米自組織結構的形成原因及演變過程。
　　2.建立了樣品旋轉時自組織納米點狀結構形成的數學模型,確定了不定形層熱擴散是單晶硅主要擴散機制,獲得了單晶硅的納

3、米微結構。研究發(fā)現:當離子束能量1000eV、束流密度2652??cm A?、樣品不旋轉時,離子束小角度(5??40?)刻蝕單晶硅表面可獲得條紋狀納米結構;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?以后樣品表面出現柱狀納米結構。而當樣品旋轉時,在相同離子束參數作用下,在較小離子入射角度(5??40?)和較大入射角度(65?85?)都可獲得納米點狀結構,尺度約為50?85納米,實驗結果驗證了模型的正確性。<

4、br>　　3.獲得了藍寶石納米結構,針對藍寶石晶體結構,提出了3+1維數學模型,揭示了離子束刻蝕下藍寶石表面形貌的演變規(guī)律;確定了離子束誘導擴散是藍寶石表面主要的擴散機理。利用 Ar+離子束刻蝕藍寶石,在離子束能量1200eV、束流密度2652??cm A?、樣品不旋轉下,在5??20?和35??45?時,形成了縱向尺度較小的點狀納米結構,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?,樣品表面出現有序的條紋結構,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柱狀結構,垂直于離子束方向仍保持規(guī)則的有序條紋狀結構,且樣品表面粗糙度迅速增大。不同于單晶硅,離子束能量在藍寶石中分布各向異性,藍寶石表面弛豫主要是離子束誘導機制,利用建立的數學模型對刻蝕結果進行了仿真與分析。
　　4.建立了 Ar+離子束能量與刻蝕后藍寶石表面形貌的關系,揭示了不同表面形貌形成的機理。研究發(fā)現相同角度,不同能量刻蝕后藍寶石樣品表面也會出現多種納米結

6、構。在入射角度65?、能量較小(600?750eV)時,樣品表面出現點狀結構,增加能量到900eV,樣品表面出現規(guī)則的條紋狀結構,繼續(xù)增大能量,樣品在離子束入射方向出現柱狀結構,垂直方向為有序條紋狀結構。滲透深度及能量各向異性分布是納米結構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構提高樣品透過率的方法。在1100nm?2000nm波長范圍內,利用 Ar+刻蝕單晶硅,當離子束能量1000eV、束流密度265

7、2??cm A?,在入射角度15?、樣品不旋轉時,表面形成的規(guī)則條紋結構可使透過率提高約8％;而在入射角度65?、樣品旋轉時,形成的規(guī)則點狀結構,可使透射率提高約15%;透過率隨納米結構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象。
　　6.研究了刻蝕時間對單晶硅和藍寶石刻蝕的影響規(guī)律。結果發(fā)現增加刻蝕時間,納米結構形貌未發(fā)生變化,但納米結構縱向尺度增大,有序性增強,長時間刻蝕后趨于飽和,此時模型非