飛秒激光制備半導(dǎo)體表面納米周期結(jié)構(gòu).pdf

1、自從飛秒激光出現(xiàn)后，超短脈沖激光與物質(zhì)的相互作用就引起了廣泛的關(guān)注。在此過(guò)程中，出現(xiàn)了許多引人注目的現(xiàn)象，例如飛秒脈沖誘導(dǎo)短周期納米結(jié)構(gòu)，其周期遠(yuǎn)小于激光波長(zhǎng)。這在突破衍射極限的微光學(xué)器件制備、材料改性及二維平板顯示等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。但其形成機(jī)制仍然是一個(gè)讓人困擾的問(wèn)題。激光干涉刻蝕技術(shù)是制備一維光柵結(jié)構(gòu)、二維、三維光子晶體的一種成熟而有效的方法。由于飛秒激光超短、超強(qiáng)的特性，激光干涉刻蝕技術(shù)有了更廣闊的發(fā)展空間。本文重點(diǎn)研究了

2、飛秒脈沖在半導(dǎo)體材料ZnO表面誘導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)的機(jī)理，并將這種方法與多光束干涉技術(shù)相結(jié)合，在多種半導(dǎo)體表面制備出了多種花樣的周期納米圖案。其主要內(nèi)容如下：
　　 (1)飛秒脈沖在ZnO晶體表面誘導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)的周期隨脈沖能量、照射脈沖數(shù)變化。但在一定的激光強(qiáng)度范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)大量飛秒脈沖的照射，其周期都趨近于λ/2n，n為材料折射率，λ為激光波長(zhǎng)。本文提出了一種新的模型解釋飛秒脈沖誘導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，認(rèn)為在納米條紋的形成過(guò)程中，樣品應(yīng)分

3、為上下兩層分別討論。表層直接與光相互作用，不同的脈沖能量及照射脈沖數(shù)下形成了不同的條紋結(jié)構(gòu)；在內(nèi)層中，由于飛秒激光照射過(guò)程中的非線性吸收及雪崩電離過(guò)程而產(chǎn)生了大量的納米等離子體，介電常數(shù)隨激光參數(shù)而變化，這些納米等離子體對(duì)入射光具有散射作用。散射光相互作用而逐漸形成了強(qiáng)烈的駐波場(chǎng)，從而誘導(dǎo)形成規(guī)則的納米條紋結(jié)構(gòu)。當(dāng)表層被燒蝕剝離后，露出了內(nèi)層的對(duì)比度高的、缺陷少的納米條紋結(jié)構(gòu)。利用有限元法模擬計(jì)算了不同脈沖能量密度下表層結(jié)構(gòu)及駐波場(chǎng)的形

4、成過(guò)程，并很好的解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　 (2)將飛秒脈沖誘導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)與雙光束干涉結(jié)合，在半導(dǎo)體表面制備了二維周期結(jié)構(gòu)。由于雙光束干涉的強(qiáng)度分布對(duì)納米條紋長(zhǎng)度的限制作用，得到了周期性更好的規(guī)則納米條紋結(jié)構(gòu)，并有望應(yīng)用于微光柵制備上。此外，改變激光參數(shù)，在飛秒脈沖能量較大的情況下，雙光束干涉能在半導(dǎo)體表面制備一種新的結(jié)構(gòu)－亞微米孔陣列。通過(guò)研究亞微米孔隨照射脈沖數(shù)的演化過(guò)程可以知道，亞微米孔是由激光誘導(dǎo)的長(zhǎng)周期條紋演化形成的。雙光束

5、干涉在此過(guò)程中具有非常重要的作用，其光強(qiáng)周期分布限制了長(zhǎng)周期條紋在長(zhǎng)度方向生長(zhǎng)，使之隨著激光脈沖的照射只能加深、加寬，最終形成了亞微米孔。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)亞微米孔陣列能引起ZnO晶體在寬譜范圍內(nèi)的吸收增強(qiáng)。理論模擬發(fā)現(xiàn)，ZnO表面結(jié)構(gòu)的Mie散
　　 (3)將飛秒脈沖誘導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)與多光束干涉技術(shù)相結(jié)合，我們利用三光束、四光束干涉技術(shù)在多種半導(dǎo)體表面制備了納米－微米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)。在不同的光束間夾角及偏振組合情況下，在多種半導(dǎo)體表面制

6、備得到了多種多樣的納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)。通過(guò)改變激光的偏振組合，使干涉花樣與納米花樣發(fā)生變化，激光偏振成為影響干涉的一個(gè)重要因素，增加了多光束干涉的多樣性和靈活性。我們理論計(jì)算了多光束干涉場(chǎng)的強(qiáng)度分布與偏振分布，很好地解釋了納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的形成。在此基礎(chǔ)上我們進(jìn)一步研究了納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光增強(qiáng)。拍攝的顯微發(fā)光照片說(shuō)明了其在二維顯示方面具有巨大的應(yīng)用潛力。
　　 (4)在飛秒激光照射ZnSe樣品的部分燒蝕斑上發(fā)現(xiàn)了激射現(xiàn)象，