飛秒激光改性硅材料的物理機理及其性質研究

馬明毅

摘要本文主要研究飛秒激光改性硅材料，將飛秒激光的應用概況以及運行機理作為根本出發點，分別用分子動力學模型以及雙溫模型論述飛秒激光改性硅材料的物理機理。而通過直接觀察硅納米顆粒的外貌、發光譜、透射譜、反射譜和吸收譜等對飛秒激光改性硅材料的實際性質進行探究，以便能夠幫助人們更好地了解和認知飛秒激光改性硅材料，從而將其靈活運用在各個領域當中。

關鍵詞飛秒激光；改性；硅材料；物理機理；性質

隨著激光的發明與廣泛應用，人們逐漸感受到其自身具有的強大優勢，譬如說具備較高的亮度、單色性以及方向性等，將其運用在科學研究、軍事領域、通信領域等當中均起到了重要的幫助作用。而在硅材料改性當中飛秒激光具有精度高、速度快的重大優勢，同時也使得改性后的硅材料可以具備良好的光電特性，并更好地運用在我國發光技術、能源技術等眾多領域當中。因此本文將在此背景下，著重圍繞飛秒激光改性硅材料的物理機理及其性質進行簡要分析研究。

1飛秒激光的簡要概述

1.1應用概況

伴隨著我國科學技術水平的不斷提高，飛秒激光技術也在各領域當中得到了廣泛的實踐與應用，并且在理論研究方面的價值也越來越高。在研究改性硅材料的物理機理及其性質方面，飛秒激光提供了一種全新的物理素材與研究方法。除了作為一種探測工具之外，飛秒激光同樣也可以在短時間內迅速通過試件分辨探測出物理過程，并且在時間分辨技術的幫助下甚至可以看到許多人眼無法識別的物理現象及運動過程。不僅如此，在飛秒激光與改性材料相互作用當中也包含了大量的物理內容，譬如說非線性學、等離子體產生與演化等，而人們通過分析飛秒激光的物理作用及物理運動過程，也能夠更加全面清晰地認知飛秒激光改性硅材料的物理機理及性質。

1.2運行機理

在飛秒激光的運行過程當中，鎖模是飛秒激光實現脈沖的一項關鍵技術。具體來說，鎖模技術也可以被細分為被動鎖模和主動鎖模。飛秒激光器通過這兩種不同的鎖模形式可以有效輸出飛秒脈沖序列，但在輸出過程中，鑒于飛秒脈沖能量不大，因此為了能夠有效增大飛秒脈激光脈沖的能量，往往會選擇采用調速再生放大技術。而在飛秒脈沖轉化能量的過程當中，考慮到增益介質的損傷閥值，為了能夠有效降低實際峰值的運行功率，通常情況下會采用光柵對將短脈沖展寬，再通過增益介質適當增大飛秒脈沖的實際運行能量，進而通過光柵對將寬脈沖壓窄，最終獲得具有更高能量的飛秒激光脈沖。

2飛秒激光改性硅材料的物理機理

2.1分子動力學模型

使用分子動力學模型能夠在微觀動力學的角度，對飛秒激光刻蝕硅材料的過程進行仿真模擬，而在此過程當中主要包括氣化、同質成核、光致機械碎裂3種不同的激勵。在迅速沉積的作用機制影響下，飛秒激光能量會在短時間內引起局部膨脹，并在其內部將會產生一種巨大的集中應力，進而使得機械發生碎裂。通過使用分子動力學模型，并集合原子動力學、載流子動力學等分析飛秒脈沖的激光刻蝕改性硅材料，我們可以觀察到在硅材料的表面，出現了一種完全不同于爆炸式沸騰現象的飛秒激光刻蝕作用下產生的快速熱膨脹物理現象以及等容升溫現象，而是產生了一種非絕緣熱膨脹物理現象。也就是說受到飛秒激光刻蝕作用的影響，硅材料高溫金屬性液體將會發生破裂。因此，我們也可以認為飛秒激光改性硅材料的表面出現迅速非絕緣的熱膨脹是其發生相爆炸的重要作用條件，其膨脹時間要遠遠早于熱擴散開始時間。因此在短時間內硅材料表面受到持續飛秒脈沖激光作用，將會使得內部體積迅速膨脹；而當硅材料當中沉積的能量無法充分釋放時將會爆炸。

2.2雙溫模型

在飛秒激光輻射硅材料表面之后，會在亞皮秒時間刻度內使得硅材料的表面電子以及晶格溫度處于一種非靜態的失衡狀態。因此，一旦需要分析計算硅材料表面的瞬態熱力學作用機制過程，就需要認真考慮硅材料的晶格以及電子。而美國物理學家于20世紀80年代，在線性遷移理論的指導下通過自制自洽模型，分析研究了硅材料表面在飛秒激光脈沖作用下，表面的高濃度等離子動力學過程，而在此過程中物理學家發現粒子束平衡理論在描述和反映飛秒激光改性硅材料物理機理方面具有較好的精準性。實驗證明在530mm的飛秒激光脈沖下在作用時間段內，硅材料的晶體格與等離子體之間一直處于一種空間不均勻的冷平衡運動狀態；而在1060mm的飛秒激光脈沖下，雖然硅材料的初始吸收率并不大，但其載流子溫宿和濃度卻仍然無法達到預期的高數值，由此我們可以看出自由載離子和雙光子吸收在飛秒激光改性硅材料的物理機理當中具有重要地位。

3飛秒激光改性硅材料的性質

本文使用石英玻璃基底在飛秒激光沉積下，會通過沉積納米粒組成薄膜，然后使用微構造和單晶硅靶材沉積硅納米粒的薄膜，進而研究飛秒激光改性硅材料的性質。

3.1硅納米顆粒外貌

通過研究我們可以得知，在石英玻璃基底下沉積的硅納米顆粒其實際粒徑大概在數十到數百納米之間，并且經過截然不同的團聚作用后，小納米顆粒將會變大。而使用微構造硅靶材料沉積制備的薄膜中有著更多的小顆粒，與此同時硅材料表面具有較高的空隙率，在退火之后表面的納米顆粒會出現再融合現象，因此我們有理由認為硅材料當中的大納米顆粒實際變化情況，與其表面的致密程度之間有著緊密的聯系。

3.2透射譜、反射譜、吸收譜

從分析透射譜、反射譜、吸收譜的結果可以得知，尚未經過退火的納米顆粒薄膜表現出良好的可見光減少反射效應；而經過退火的納米顆粒薄膜反而對可見光的反射效率出現上升趨勢，減反效應卻在逐漸減小。此時此刻退火樣品的反射譜峰將完全取決于硅材料表面的納米顆粒直徑。值得注意的是，單晶硅材料的納米顆粒薄膜，在波段為1150nm的微構造硅納米顆粒薄膜當中表現出強烈的吸附性。

3.3發光譜

納米顆粒薄膜的光學性質往往會受到表面孔隙、顆粒尺寸等的影響，而通過分析樣品材料的發光譜我們可以發現，其中有一條連續譜光纖，并且飛秒激光的衰減變快速度非常快。這一變化速度同泵浦光的儀器響應函數、光致發光衰減曲線之間有著緊密的線性關系，由此我們也可以推斷出硅納米材料具有強烈的非線性。而這也恰恰是產生超連續譜的重要影響因素，對該光致發光超連續譜產生的閡值有明顯降低作用。

4結論

總而言之，本文通過利用分子動力學模型和雙溫模型對飛秒激光改性硅材料的物理機理進行簡單介紹，了解到不同的模型研究側重點也各不相同，但二者均可以在一定程度上準確反映和模擬出飛秒激光改性硅材料的作用機理，以及材料表面電子溫度、濃度等時空分布情況，因此二者均具有較好的實踐研究意義。不僅如此，通過認真觀察分析硅納米顆粒的外貌、發光譜、反射譜等我們也可以準確得知飛秒激光改性硅材料具有強烈的非線性、吸附性等性質。但由于時間和條件限制，本研究還存在一定的不足，希望在將來的工作中可以繼續改進。endprint