飛秒激光改性硅材料的物理機理及其性質研究

辛 旺

(山西大學 物理電子工程學院,山西 太原 030006)

?

飛秒激光改性硅材料的物理機理及其性質研究

辛 旺

(山西大學 物理電子工程學院,山西 太原 030006)

隨著激光技術的不斷發展，激光加工在工業生產中得到了十分廣泛的應用，例如常見的激光打孔、激光焊接、激光切割以及微納加工、材料表面的處理以及改性等，激光加工不僅具有精度較高的特點，而且激光加工的速度很快，最大的應用優點是可以適應于不同的加工材料中，激光加工技術對于硬度以及熔點特別高的材料也能夠進行不斷加工處理。

飛秒激光；改性硅材料；物理機理；性質

在當前的社會背景下，硅材料[1]在我國的電子信息方面發揮著十分重要的作用，因此飛秒激光制備的硅材料受到人們的廣泛重視。例如，常見的表面微構造硅材料以及硅納米晶、飛秒激光摻雜的硅材料等，這些改性硅材料不僅具有很好的光電特性，而且可以實現發光、表面減反、光電響應以及光譜高吸收等，在此過程中能夠有效實現與現有硅基材料的兼容，所以這些改性硅材料在我國的發光技術領域、能源技術領域以及發電探測等眾多的技術領域中發揮著非常重要的作用。

1飛秒激光的概況以及應用情況分析

在新的科學技術層出不窮的時代背景下，我國的飛秒激光技術[2]不僅在工業技術領域中得到了實踐與應用，而且在理論研究方面也具有重要的研究價值。飛秒激光為人們研究改性硅材料的物理機理以及具體的性質特點提供了一種新的物理素材與創新的研究方法。飛秒激光技術不僅可以作為一種超快的探測工具，也可以對一些超快的物理過程進行試件分辨與探測，而且采用飛秒激光時間分辨技術可以看到很多人眼無法識別的物理現象與物理運動過程。

除此之外，飛秒激光與改性材料相互作用的過程中也包含了超快變相、非線性光學、等離子體產生與演化、非平衡態的池豫等豐富的物理內容，通過對飛秒激光的這一物理作用過程進行分析，以便于人們對飛秒激光改性硅材料的具體物理機理以及其性質有清晰的認知。

2飛秒激光的運行機理分析

目前，飛秒激光在我國工業技術領域中的應用實踐已經非常完善，并形成了一個成熟的應用體系。因此，對飛秒激光改性硅材料的物理機理以及其性質進行研究分析，首先需要對飛秒激光的具體原理進行分析研究。

其實，在飛秒激光運行過程中能夠使飛秒激光實現脈沖的重要技術就是鎖模，而鎖模這一關鍵脈沖技術又可分為被動鎖模與主動鎖模，被動鎖模主要是指通過對某一種相同初始相位值的縱模進行針對性選擇，然后使其在腔內產生一種不斷增益的諧振，諧振會導致腔內的其他模式進一步被抑制，從而實現有效鎖模。與被動鎖模不同，主動鎖模是通過采用諸如聲光調制、電光調制等外加劑的形式實現模式的鎖定。經過兩種不同的鎖模形式，飛秒激光器可以將飛秒脈沖的序列進行有效輸出，但在此輸出過程中由于飛秒脈沖的能量較小，因此需要采用調速再生放大技術將飛秒脈激光脈沖的能量不斷增大。在飛秒脈沖的能量轉化過程中，由于考慮到增益介質的損傷閥值，因此需要采用光柵對將短脈沖展寬，從而有效地降低其峰值的實際運行功率，此時需要再通過增益介質對飛秒脈沖的實際運行能量進行適當增大，隨之可以采用光柵對將寬脈沖壓窄，經過這一過程，最終獲得更高能量的飛秒激光脈沖。

3飛秒激光改性硅材料的物理機理分析

關于飛秒激光與改性硅材料的相互作用機理，通常在研究實踐過程中采用雙溫模型與分子動力學這兩種常見的理論模型進行研究分析。

3.1分子動力學模型用于分析飛秒激光改性硅材料物理機理

在我國的科學技術領域，相關的學者在對飛秒激光改性硅材料的物理機理進行研究分析過程中，通常會采用分子動力學模型來模擬飛秒激光刻蝕硅材料的微觀動力學過程。其中，在這一刻蝕過程中主要包括三種不同的作用機理，這三種不同的作用機理都會在一定程度上受到沉積激光能量的巨大影響。

這三種不同的機理主要包括氣化、同質成核以及光致機械碎裂，飛秒激光能量由于受到快速沉積的作用機制從而引起局部的迅速膨脹，由此使飛秒激光內部產生巨大的內部集中應力，從而使機械發生破碎。在此過程中通過采用一種獨特的物理模型對飛秒脈沖的激光刻蝕改性硅材料進行分析研究，通過論證發現，在物理模型的分子動力學以及統一的蒙特卡洛結構體系內，結合了原子動力學與載流子動力學，最終的分析結果證明，通過飛秒激光的刻蝕作用[3]，在硅材料的表面出現了一種快速熱膨脹與等容升溫的物理現象，這種現象會導致硅材料產生爆炸式沸騰以及相爆炸的情況。而硅材料在飛秒脈沖激光的作用機制下，硅材料的表面出現的是一種與爆炸式沸騰相反的物理現象，這種現象就是非絕緣的熱膨脹過程，在此過程中硅材料高溫金屬性液體破裂會受到飛秒激光的刻蝕作用。

因此，從整個飛秒激光改性硅材料的物理作用機制來看，硅材料表面實現迅速絕熱膨脹是飛秒激光改性硅材料發生相爆炸的重要作用條件，即硅材料的熱擴散開始時間要晚于其發生膨脹的時間。所以，只有當硅材料的表面受到持續時間很短的飛秒脈沖激光作用，才會迅速升溫導致內部體積不斷膨脹；當硅材料中沉積的能量來不及充分釋放，就會發生爆炸。

3.2雙溫模型用于分析飛秒激光改性硅材料物理機理

與分子動力學模型的作用研究機制不同，在對飛秒激光改性硅材料的物理機理以及其性質進行研究分析時，還需要通過采用雙溫模型進行研究分析。當硅材料的表面有飛秒激光進行輻射之后，在亞皮秒時間刻度之內就會使硅材料的表面電子溫度以及晶格溫度處于一種動態的非平衡狀態。所以，一旦需要對硅材料表面的瞬態熱力學作用機制過程進行分析計算，就一定要通過對硅材料的晶格以及電子進行分析考慮。早在1986年，美國的物理學家采用線性遷移理論通過自制的自洽模型，對飛秒激光脈沖作用下的硅材料表面高濃度等離子動力學過程進行了研究分析。在這一自洽模型中，他重點融合了晶格熱平衡理論以及粒子數平衡、載流子能量平衡等幾種具體的模型理論，其中粒子數平衡理論可以準確反映飛秒激光改性硅材料的物理機理。

通過對飛秒激光作用之下的硅材料表面的熱力學過程進行模擬分析，結果證明在530毫米的飛秒激光激發作用下，硅材料在脈沖作用時間段之內，晶體格與等離子體之間處于一種非熱平衡運動狀態，而且這種運行狀態呈現出很大的空間不均勻性。而與1060毫米的激光相比，盡管硅材料的初始吸收率較小，但是硅材料的載流子溫度以及載流子濃度依然難以達到預期的高數值要求，此時飛秒激光改性硅材料的整個物理機制中，自由載離子吸收與雙光子吸收占據統治的作用地位。

因此，對于上述兩種不同的物理學研究模型而言，由于其具體的作用機制不同，所以各自具有不同的研究特點，從總體的研究分析情況來看，動力學模型與雙溫模型在某種程度上都可以準確反映和模擬飛秒激光改性脈沖硅材料的物理作用機理以及硅材料表面的電子溫度、電子濃度、晶格溫度的實際時空分布情況，從而定性、定量地對整個硅材料的電子晶格瞬態池豫過程進行界定和描述，使其具有良好的實踐研究意義與理論分析意義。

4飛秒激光改性硅材料的性質研究

通過上文中對飛秒激光的改性材料的物理機理以及其性質進行研究分析之后，本文采用飛秒激光沉積的方式在石英玻璃的基底中通過沉積納米粒組成薄膜，然后分別采用微構造硅靶材以及單晶硅靶材將硅納米顆粒的薄膜進行沉積，從而通過對其具體的性質進行分析，在此過程中研究退火對硅納米顆粒薄膜造成的巨大影響。

通過研究發現，沉積在基底的硅納米顆粒的實際粒徑分布在數十納米到數百納米之間，而且小的納米顆粒經過不同的團聚作用會形成更大的納米顆粒，相比之下，采用微構造硅靶材料制備的納米顆粒薄膜中的小顆粒更多，而且其中的團聚現象較弱，硅材料表面的空隙率較高，經過退火之后，樣品表面的納米顆粒出現再融合的情況，而從其中的熔合現象[4]中發現，硅材料表面的致密程度與其中的大納米顆粒的實際變化情況具有一定的關聯性。

而且經過透射譜以及反射譜和吸收譜的分析結果進一步表明，沒有經過退火的納米顆粒薄膜具有良好的減反效應，而經過退火之后的樣品則對可見光的反射效率在不斷上升。在此變化過程中，可見光的減反效果在不斷降低，此時硅材料的表面納米顆粒的尺寸會決定退火樣品的反射譜峰，對于單晶硅材料的納米顆粒薄膜，1550nm波段的微構造硅納米顆粒薄膜具有很強的吸附性特征，而這一吸附性特征是由微構造硅納米顆粒中的硫雜質所造成的一種現象。

綜上所述，從這些實際的性質特點中可以看出，摻雜情況以及表面空隙、顆粒的實際尺寸大小是影響納米顆粒薄膜光學性質的主要因素。在此過程中，通過對樣品材料進行光致發光分析研究，發現其中存在一條連續譜的發光光線，而且飛秒激光具有超快的衰減變化速度，這一實際的變化速度與泵浦光的儀器響應函數以及光致發光衰減曲線存在一定的線性相關性。因此，從中可以推測出該超連續譜為泵浦光產生的光致發連續譜，并由此可以看出，硅納米材料具有很強的非線性，這是導致該超連續譜產生的實際影響因素，從而大大降低了該光致發光超連續譜的產生閾值。所以，對飛秒激光改性硅材料的物理機理及其性質進行研究，在某種程度上可以為人類科學技術的發展做出更大的貢獻。

[1]柴路,胡明列,方曉惠,等.光子晶體光纖飛秒激光技術研究進展[J].中國激光,2013(1):7-20.

[2]王文亭,胡冰,王明偉.飛秒激光精細加工含能材料[J].物理學報,2013(6):69-74.

[3]高勝淼,韓培高,閆珂柱.飛秒激光對硅表面微構造的研究進展[J].激光與光電子學進展,2013(11):16-22.

[4]朱敏,李曉紅,李國強,等.飛秒脈沖激光輻照對硅發光性能的影響[J].物理學報,2014(5):389-396.

(責任編輯：高 堅)

2016-03-12

TN24

A

1673-8535(2016)03-0034-03

辛旺(1986-)，男，山西大同人，山西大學物理電子工程學院教師，碩士，研究方向：凝聚態物理。