贴膜条件下飞秒激光诱导硅基表面锥状微结构

李保家; 周明; 张伟

doi:10.7498/aps.61.237901

摘要

利用波长为800 nm的飞秒脉冲激光,对表面贴有聚对苯二甲酸乙二醇酯透明膜的单晶硅片进行扫描, 研究了不同激光制备参数对微结构形成的影响. 结果表明, 锥状微结构是否形成取决于激光能量密度, 能量密度太小时不能形成锥状结构, 能量密度太大时易破坏锥状突起; 而激光扫描速度可直接影响锥状微结构的质量, 扫描速度太小时也易破坏锥状结构突起, 扫描速度太大时,由于作用深度太浅使得锥状结构轮廓不分明. 在此基础上对实验参数进行优化, 得到了较理想的锥状微结构. 最后通过分析指出, 贴膜条件下锥状微结构的形成是由激光烧蚀作用和氧化作用共同引起的, 且激光烧蚀作用占主导.

关键词:

Abstract

We investigate the effect of preparation parameters on the formation of microstructures created on a single crystal silicon wafer covered with a polyethylene terephthalate (PET) transparent film by femtosecond pulse laser with a central wavelength of 800 nm. The results reveal that formation of the cone microstructures depends on laser fluence, and the cone microstructures cannot be created by lower laser fluence or can be destroyed by higher laser fluence. The laser scanning speed can directly affect the quality of the cone microstructures, and lower speed will destroy the cone, while higher speed will create indistinct cone microstructures each with smaller depth. Some idealized structures are obtained by optimizing the experimental parameters. Finally, we find that the cone microstructures on silicon wafer covered with a film are caused by both laser ablation and oxidation, and laser ablation plays a major role.

Keywords:

作者及机构信息

1.
江苏大学材料科学与工程学院,光子制造科学技术中心江苏省重点实验室, 镇江 212013

基金项目: 江苏省普通高校博士研究生科研创新计划(批准号: CX08B_053Z)、国家重点基础研究发展计划(批准号: 2011CB013004)、国家自然科学基金(批准号: 50975129)和江苏高校优势学科建设工程项目资助的课题.

Authors and contacts

1.
School of Materials Science and Engineering, Jiangsu Provincial Key Laboratory of Center for Photon Manufacturing Science and Technology, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China

Funds: Project supported by Jiangsu Province Research Innovation Program of College Graduate, China (Grant No. CX08B_053Z), the National Basic Research Program of China (Grant No. 2011CB013004), the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50975129) and A Project Funded by the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions, China.

参考文献

[1]	Yuan H, Yost V E, Page M R, Stradins P, Meier D L, Branz H M 2009 Appl. Phys. Lett. 95 123501
[2]	Her T H, Finlay R J, Wu C, Deliwala S, Mazur E 1998 Appl. Phys. Lett. 73 1673
[3]	Her T H, Finlay R J, Wu C, Mazur E 2000 Appl. Phys. A 70 383
[4]	Lowndes D H, Fowlkes J D, Pedraza A J 2000 Appl. Surf. Sci. 154-155 647
[5]	Younkin R, Carey J E, Mazur E, Levinson J A, Friend C M 2003 J. Appl. Phys. 93 2626
[6]	Crouch C H, Carey J E, Warrender J M, Aziz M J, Mazur E, Génin F Y 2004 Appl. Phys. Lett. 84 1850
[7]	Crouch C H, Carey J E, Shen M Y, Mazur E, Génin F Y 2004 Appl. Phys. A 79 1635
[8]	Carey J E 2004 Ph. D. Dissertation (Harvard University) pp40-49
[9]	Sheehy M A, Winston L, Carey J E, Friend C M, Mazur E 2005 Chem. Mater. 17 3582
[10]	Tull B R, Carey J E, Mazur E, McDonald J P, Yalisove S M 2006 MRS Bulletin 31 626
[11]	Li P, Wang Y, Feng G J, Zheng C D, Zhao L, Zhu J T 2006 Chinese Journal of Lasers 33 1688 (in Chinese) [李平, 王煜, 冯国进, 郑春弟, 赵利, 朱京涛 2006 中国激光 33 1688]
[12]	Yuan C H, Li X H, Tang D C, Yang H D, Li G Q 2010 High Power Laser and Particle Beams 22 2749 (in Chinese) [袁春华, 李晓红, 唐多昌, 杨宏道, 李国强 2010 强激光与粒子束 22 2749]
[13]	Shen M Y, Crouch C H, Carey J E, Mazur E 2004 Appl. Phys. Lett. 85 5694
[14]	Men H N, Cheng G H, Sun C D 2006 High Power Laser and Particle Beams 18 1081 (in Chinese) [门海宁, 程光华, 孙传东 2006 强激光与粒子束 18 1081]
[15]	Yuan C H, Li X H, Tang D C, Yang H D, Li G Q 2010 Acta Phys. Sin. 59 7015 (in Chinese) [袁春华, 李晓红, 唐多昌, 杨宏道, 李国强 2010 59 7015]
[16]	Yang H D, Li X H, Li G Q, Yuan C H, Tang D C, Xu Q, Qiu R, Wang J B 2011 Acta Phys. Sin. 60 027901 (in Chinese) [杨宏道, 李晓红, 李国强, 袁春华, 唐多昌, 徐琴, 邱荣, 王俊波 2011 60 027901]
[17]	Goldman J R, Prybyla J A 1994 Phys. Rev. Lett. 72 1364
[18]	Gao X, Song X W, Guo K M, Tao H Y, Lin J Q 2011 Acta Phys. Sin. 60 025203 (in Chinese) [高勋, 宋晓伟, 郭凯敏, 陶海岩, 林景全 2011 60 025203]
[19]	Linde D V, Tinten K S, Bialkowski J 1997 Appl. Surf. Sci. 109-110 1
[20]	Shank C V, Yen R, Hirlimann C 1983 Phys. Rev. Lett. 50 454
[21]	Shank C V, Yen R, Hirlimann C 1983 Phys. Rev. Lett. 51 900
[22]	Seel M, Bagus P S 1983 Phys. Rev. B 28 2023
[23]	Wu C, Crouch C H, Zhao L, Mazur E 2002 Appl. Phys. Lett. 81 1999
[24]	Stoian R, Ashkenasi D, Rosenfeld A, Campbell E E B 2000 Phys. Rev. B 62 13167
[25]	Wang R, Yang J J, Liang C Y, Wang H S, Han W, Yang Y 2009 Acta Phys. Sin. 58 5429 (in Chinese) [王锐, 杨建军, 梁春永, 王洪水, 韩伟, 杨阳 2009 58 5429]

施引文献

[1]	Yuan H, Yost V E, Page M R, Stradins P, Meier D L, Branz H M 2009 Appl. Phys. Lett. 95 123501
[2]	Her T H, Finlay R J, Wu C, Deliwala S, Mazur E 1998 Appl. Phys. Lett. 73 1673
[3]	Her T H, Finlay R J, Wu C, Mazur E 2000 Appl. Phys. A 70 383
[4]	Lowndes D H, Fowlkes J D, Pedraza A J 2000 Appl. Surf. Sci. 154-155 647
[5]	Younkin R, Carey J E, Mazur E, Levinson J A, Friend C M 2003 J. Appl. Phys. 93 2626
[6]	Crouch C H, Carey J E, Warrender J M, Aziz M J, Mazur E, Génin F Y 2004 Appl. Phys. Lett. 84 1850
[7]	Crouch C H, Carey J E, Shen M Y, Mazur E, Génin F Y 2004 Appl. Phys. A 79 1635
[8]	Carey J E 2004 Ph. D. Dissertation (Harvard University) pp40-49
[9]	Sheehy M A, Winston L, Carey J E, Friend C M, Mazur E 2005 Chem. Mater. 17 3582
[10]	Tull B R, Carey J E, Mazur E, McDonald J P, Yalisove S M 2006 MRS Bulletin 31 626
[11]	Li P, Wang Y, Feng G J, Zheng C D, Zhao L, Zhu J T 2006 Chinese Journal of Lasers 33 1688 (in Chinese) [李平, 王煜, 冯国进, 郑春弟, 赵利, 朱京涛 2006 中国激光 33 1688]
[12]	Yuan C H, Li X H, Tang D C, Yang H D, Li G Q 2010 High Power Laser and Particle Beams 22 2749 (in Chinese) [袁春华, 李晓红, 唐多昌, 杨宏道, 李国强 2010 强激光与粒子束 22 2749]
[13]	Shen M Y, Crouch C H, Carey J E, Mazur E 2004 Appl. Phys. Lett. 85 5694
[14]	Men H N, Cheng G H, Sun C D 2006 High Power Laser and Particle Beams 18 1081 (in Chinese) [门海宁, 程光华, 孙传东 2006 强激光与粒子束 18 1081]
[15]	Yuan C H, Li X H, Tang D C, Yang H D, Li G Q 2010 Acta Phys. Sin. 59 7015 (in Chinese) [袁春华, 李晓红, 唐多昌, 杨宏道, 李国强 2010 59 7015]
[16]	Yang H D, Li X H, Li G Q, Yuan C H, Tang D C, Xu Q, Qiu R, Wang J B 2011 Acta Phys. Sin. 60 027901 (in Chinese) [杨宏道, 李晓红, 李国强, 袁春华, 唐多昌, 徐琴, 邱荣, 王俊波 2011 60 027901]
[17]	Goldman J R, Prybyla J A 1994 Phys. Rev. Lett. 72 1364
[18]	Gao X, Song X W, Guo K M, Tao H Y, Lin J Q 2011 Acta Phys. Sin. 60 025203 (in Chinese) [高勋, 宋晓伟, 郭凯敏, 陶海岩, 林景全 2011 60 025203]
[19]	Linde D V, Tinten K S, Bialkowski J 1997 Appl. Surf. Sci. 109-110 1
[20]	Shank C V, Yen R, Hirlimann C 1983 Phys. Rev. Lett. 50 454
[21]	Shank C V, Yen R, Hirlimann C 1983 Phys. Rev. Lett. 51 900
[22]	Seel M, Bagus P S 1983 Phys. Rev. B 28 2023
[23]	Wu C, Crouch C H, Zhao L, Mazur E 2002 Appl. Phys. Lett. 81 1999
[24]	Stoian R, Ashkenasi D, Rosenfeld A, Campbell E E B 2000 Phys. Rev. B 62 13167
[25]	Wang R, Yang J J, Liang C Y, Wang H S, Han W, Yang Y 2009 Acta Phys. Sin. 58 5429 (in Chinese) [王锐, 杨建军, 梁春永, 王洪水, 韩伟, 杨阳 2009 58 5429]

[1]	张结印, 高飞, 张建军. 硅和锗量子计算材料研究进展. , 2021, 70(21): 217802. doi: 10.7498/aps.70.20211492
[2]	王凯, 孙靖雅, 潘昌基, 王飞飞, 张可, 陈治成. 飞秒激光辐照二硫化钨的超快动态响应及时域整形调制. , 2021, 70(20): 205201. doi: 10.7498/aps.70.20210737
[3]	陶海岩, 陈锐, 宋晓伟, 陈亚楠, 林景全. 飞秒激光脉冲能量累积优化对黑硅表面形貌的影响. , 2017, 66(6): 067902. doi: 10.7498/aps.66.067902
[4]	杨青, 杜广庆, 陈烽, 吴艳敏, 欧燕, 陆宇, 侯洵. 时间整形飞秒激光诱导熔融硅表面纳米周期条纹的电子动力学研究. , 2014, 63(4): 047901. doi: 10.7498/aps.63.047901
[5]	周耐根, 胡秋发, 许文祥, 李克, 周浪. 硅熔化特性的分子动力学模拟–-不同势函数的对比研究. , 2013, 62(14): 146401. doi: 10.7498/aps.62.146401
[6]	彭娜娜, 霍燕燕, 周侃, 贾鑫, 潘佳, 孙真荣, 贾天卿. 飞秒激光诱导自组织纳米周期结构及其光学特性的研究进展. , 2013, 62(9): 094201. doi: 10.7498/aps.62.094201
[7]	张伟, 滕浩, 王兆华, 沈忠伟, 刘成, 魏志义. 采用环形再生腔结构的飞秒激光啁啾脉冲放大研究. , 2013, 62(10): 104211. doi: 10.7498/aps.62.104211
[8]	兰惠清, 徐藏. 掺硅类金刚石薄膜摩擦过程的分子动力学模拟. , 2012, 61(13): 133101. doi: 10.7498/aps.61.133101
[9]	高勋, 宋晓伟, 郭凯敏, 陶海岩, 林景全. 飞秒激光烧蚀硅表面产生等离子体的发射光谱研究. , 2011, 60(2): 025203. doi: 10.7498/aps.60.025203
[10]	熊平新, 贾鑫, 贾天卿, 邓莉, 冯东海, 孙真荣, 徐至展. 三光束飞秒激光干涉在GaP，ZnSe表面诱导二维复合纳米-微米周期结构. , 2010, 59(1): 311-316. doi: 10.7498/aps.59.311
[11]	袁春华, 李晓红, 唐多昌, 杨宏道, 李国强. Nd:YAG纳秒激光诱导硅表面微结构的演化. , 2010, 59(10): 7015-7019. doi: 10.7498/aps.59.7015
[12]	李爱华, 张凯旺, 孟利军, 李俊, 刘文亮, 钟建新. 基于graphene条带的硅纳米结构. , 2008, 57(7): 4356-4363. doi: 10.7498/aps.57.4356
[13]	孟利军, 张凯旺, 钟建新. 硅纳米颗粒在碳纳米管表面生长的分子动力学模拟. , 2007, 56(2): 1009-1013. doi: 10.7498/aps.56.1009
[14]	李成斌, 贾天卿, 孙海轶, 李晓溪, 徐世珍, 冯东海, 王晓峰, 葛晓春, 徐至展. 飞秒激光对氟化镁烧蚀机理研究. , 2006, 55(1): 217-220. doi: 10.7498/aps.55.217
[15]	刘丽峰, 吕惠宾, 戴守愚, 陈正豪. 巨磁电阻材料La0.9Sr0.1MnO3与半导体Si组成的二极管的整流特性. , 2005, 54(5): 2342-2345. doi: 10.7498/aps.54.2342
[16]	孙海轶, 贾天卿, 李晓溪, 徐世珍, 冯东海, 李成斌, 王晓峰, 徐至展. 飞秒激光作用下全向高反膜破坏的激发过程. , 2005, 54(10): 4736-4740. doi: 10.7498/aps.54.4736
[17]	姜金龙, 李文杰, 周立, 赵汝光, 杨威生. 高指数稳定硅表面的低能电子衍射图分析. , 2003, 52(1): 156-162. doi: 10.7498/aps.52.156
[18]	李文杰, 姜金龙, 周立, 赵汝光, 杨威生. 三个新的稳定硅表面及其家族领地. , 2002, 51(11): 2567-2574. doi: 10.7498/aps.51.2567
[19]	皇甫鲁江, 朱长纯, 淮永进. 掺杂浓度对硅锥阴极特性的影响. , 2002, 51(2): 382-388. doi: 10.7498/aps.51.382
[20]	戴永兵, 沈荷生, 张志明, 何贤昶, 胡晓君, 孙方宏, 莘海维. 金刚石/硅(001)异质界面的分子动力学模拟研究. , 2001, 50(2): 244-250. doi: 10.7498/aps.50.244

计量

文章访问数: 9003
PDF下载量: 437
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板