納秒脈沖激光誘導單晶硅材料熒光效應的研究.pdf

1、隨著多孔硅在室溫下可以被激發(fā)出熒光的現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，具有穩(wěn)定發(fā)光特性的硅基結(jié)構(gòu)和器件的研究和制備得到了廣泛的關(guān)注，硅材料的光電現(xiàn)象的研究也成了科學研究和工業(yè)應用研究關(guān)注的熱點。傳統(tǒng)的加工制備工藝方法，如多孔硅的制備研究，多以電化學腐蝕和光化學腐蝕的方法為主，在經(jīng)過陽極氧化處理后，需要借助腐蝕溶液刻蝕等方法，促成多孔硅微結(jié)構(gòu)的形成，其制備方法復雜，工藝繁瑣，環(huán)境要求高，且化學制劑的配比要求嚴格，廢料污染環(huán)境，不利于環(huán)保低碳的社會化生產(chǎn)，同時制

2、備效率低，周期長，可控性差，不適于工業(yè)推廣和大批量制備。利用脈沖激光輻射單晶硅，可以導致硅材料表面的結(jié)構(gòu)和組成成分發(fā)生改變，并引起硅材料光學屬性的改變，使得利用脈沖激光微加工技術(shù)制備具有光學屬性的硅基微結(jié)構(gòu)成為可能。
　　 本文基于自主開發(fā)設計的紫外納秒脈沖激光微加工系統(tǒng)進行了單晶硅材料的加工實驗研究，對納秒脈沖激光和單晶硅作用的機理和產(chǎn)生熒光發(fā)射現(xiàn)象的原因進行了分析和研究，提出了利用脈沖激光照射加工單晶硅材料，直接制備具有熒光

3、效應的硅基微結(jié)構(gòu)的方法，簡化了制備的加工工藝，方便實現(xiàn)，易于控制，提高了加工結(jié)果的可控性，同時也更加環(huán)保，避免了化學試劑的污染。
　　 本文的研究成果和工作內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　 1.加工機理和熒光現(xiàn)象的分析
　　 通過對納秒脈沖激光和單晶硅的相互作用和加工理論模型的分析，理解了納秒脈沖激光加工單晶硅形成微結(jié)構(gòu)的過程和機理；通過對熒光現(xiàn)象的物理過程以及多孔硅的熒光發(fā)射機理的分析，提出了利用納秒脈沖激光照射加

4、工單晶硅，制備具有熒光效應的微結(jié)構(gòu)的研究思路。通過脈沖激光對加工結(jié)果的影響因素分析，為設計納秒脈沖激光微加工系統(tǒng)提供了參考。
　　 2.自主設計納秒脈沖激光微加工系統(tǒng)
　　 設計了適用于單晶硅加工的紫外納秒脈沖激光微加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括355nm波長納秒脈沖激光器，光路機械結(jié)構(gòu)，上位機圖形處理軟件，以DSP(數(shù)字信號處理芯片)和FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列芯片)為核心的下位機運動控制系統(tǒng)，以及其他輔助系統(tǒng)。激光脈沖寬度小于

5、40ns，脈沖重復頻率從1Hz到100kHz可調(diào)，電控位移平臺在步進電機驅(qū)動器32細分下，單步運動精度為625nm。較高的平均功率和脈沖重復頻率，保證了激光加工的效率；電控位移平臺的單步位移長度以及控制系統(tǒng)的控制精度保證了激光微加工的尺寸和質(zhì)量。
　　 3.加工單晶硅及其熒光現(xiàn)象的實驗研究
　　 基于設計的紫外納秒脈沖激光微加工系統(tǒng)，對單晶硅材料進行了加工實驗并分析了其加工過程和熒光現(xiàn)象。借助SEM(掃描電子顯微鏡)等設