飛秒激光連續(xù)照射制備具有準(zhǔn)規(guī)則的黑硅材料

飛秒激光連續(xù)照射制備具有準(zhǔn)規(guī)則的黑硅材料

1長(zhǎng)波長(zhǎng)硅材料的缺陷硅含大量硅和石英礦，在自然界中。如果說碳是組成生物界的主要元素,那么,硅就是構(gòu)成地球上礦物界的主要元素。晶體硅由于易提純,易摻雜,耐高溫等優(yōu)點(diǎn),作為重要的半導(dǎo)體材料,除了用于熟知的二極管、三極管和集成電路以外,還在軍事武器的制造、太陽能電池和光電探測(cè)器等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。然而,傳統(tǒng)硅晶體材料在可見光范圍內(nèi)反射率很高,它的禁帶寬度是1.12eV,這使得硅材料對(duì)于波長(zhǎng)超過1.1μm的光是透明的。這些因素都限制了硅基的光電探測(cè)器和太陽能電池的效率及靈敏度,因此,增加硅吸收光的效率一直是科技發(fā)展上的熱點(diǎn)。如能克服這些缺點(diǎn),硅材料將得到更多的應(yīng)用。1997年,哈佛大學(xué)Mazur教授研究組在飛秒激光與物質(zhì)相互作用研究的過程中,發(fā)現(xiàn)利用飛秒激光在一定氣體環(huán)境下照射硅片可在硅表面激光輻照區(qū)產(chǎn)生微米量級(jí)的尖峰結(jié)構(gòu),原本是灰色有光澤的硅表面在刻蝕過的地方肉眼看去完全變成了黑色。利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)黑硅表面呈準(zhǔn)規(guī)則排列的微米量級(jí)的尖峰結(jié)構(gòu)(圖1)。大量的研究表明,這種表面微構(gòu)造過的硅材料具有奇特的光電性質(zhì),對(duì)可見光和近紅外線波長(zhǎng)的光幾乎全部吸收,吸收率的大小又和表面微構(gòu)造的形狀、高度和刻蝕時(shí)所選用的特定氣體等因素有關(guān)。對(duì)于黑硅這種新材料為什么會(huì)對(duì)可見光和近紅外線波長(zhǎng)的光幾乎全部吸收尚有諸多物理問題需要大量的研究工作來解決。黑硅的類錐狀表面有微細(xì)的納米顆粒,本文沒有考慮其表面的微細(xì)納米顆粒的影響,從平面幾何光學(xué)角度分析其陷光特性。利用幾何光學(xué)的光的傳輸理論,計(jì)算出目前較典型的黑硅類錐狀結(jié)構(gòu)的陷光效果,研究了黑硅表面凸起的形狀和密度對(duì)光反射次數(shù)的影響。2黑硅表面線性類圓錐體的缺陷光特性分析顯微鏡下黑硅的微觀表面是密麻的針狀結(jié)構(gòu),與普通硅相比最大區(qū)別就在這些獨(dú)特的結(jié)構(gòu),光射入這種針狀森林結(jié)構(gòu)里面要經(jīng)過多次反射與折射,且這種類錐狀表面有不規(guī)則微小納米顆粒,在一定程度上都對(duì)它的陷光效果有影響。由于針狀結(jié)構(gòu)表面的復(fù)雜性,在此,我們利用線性類圓錐體(圖2)形狀來分析光線豎直照射到其表面后的線性反射情況,并在假設(shè)每次表面反射時(shí)均有一定比例的光能量被吸收的基礎(chǔ)上,研究黑硅表面針狀結(jié)構(gòu)的形狀和密度與反射次數(shù)的關(guān)系,然后再分析它的陷光特性。A:1)當(dāng)α>30°時(shí),n<3,不予考慮。2)α=30°時(shí),n=3。3)α<30°時(shí),B:1)18°<α<30°時(shí),2)α=18°時(shí),3)α<18°時(shí),2)α=0°時(shí),3)α<10°時(shí),假定每次反射時(shí)普通硅表面對(duì)光能量的吸收效率為ρ,反射次數(shù)為n,一束光從進(jìn)入黑硅表面經(jīng)反射后總的光能量的吸收效率為An=An-1+(1-An-1)ρ。由此作出的理論上吸收率和反射次數(shù)的關(guān)系圖如圖4。由圖我們可以看出,吸收率和反射次數(shù)有一定的遞增關(guān)系,陷光效果又和反射次數(shù)有關(guān)。因此對(duì)于黑硅陷光特性的研究,對(duì)于分析黑硅對(duì)光能量的吸收效果有重要的意義。3黑硅表面光度的反射模型本論文只研究了黑硅的陷光特性,通過建立的理論模型,從平面幾何光學(xué)角度分析了黑硅的陷光特性。然而實(shí)際黑硅類錐表面并非那么光滑,而是存在微細(xì)的納米顆粒。因此理論反射次數(shù)和實(shí)際反射次數(shù)一定程度上存在誤差,但總體上很好地反映了黑硅陷光特性的機(jī)制。我們可以得出h1越高、d越小和Φ越大(錐體母線與底面直徑的夾角越大),它在類錐狀體上的反射次數(shù)越多,也就是說它的陷光效果越好。這樣我們的理論分析結(jié)果可以說明光在微構(gòu)造硅表面的反射次數(shù)越多它的陷光效果就越好。陷光特性好,對(duì)光吸收具有重要價(jià)值,但黑硅的光吸收機(jī)理較為復(fù)雜,后續(xù)研究正在進(jìn)行中。當(dāng)光線豎直照射微構(gòu)造黑硅片時(shí),光子進(jìn)入類錐狀結(jié)構(gòu)后,在類錐狀結(jié)構(gòu)里面反射,到達(dá)類錐狀結(jié)構(gòu)的底部,然后再反射,經(jīng)過多次反射和吸收后,剩余的光能量反射出黑硅表面。它們的平拋圖如圖3。從圖3我們可以看出,光線豎直打在錐狀體上,光線在上面要經(jīng)過幾次反射,然后再出去,而在光滑硅表面只經(jīng)過1次反射,根據(jù)以上模型我們做了以下理論推導(dǎo)與計(jì)算。由圖3可知,h1,h2,α,β,d在微構(gòu)造硅表面它們都是獨(dú)立的變量,其它參量都可以由它們表示出來。我們?cè)O(shè)半頂角為α,底角為Φ,反射次數(shù)為n,頂部球狀球心張角為β,頂部球體的半徑r。對(duì)其頂端,經(jīng)計(jì)算光線垂直入射可達(dá)到兩次反射部位距頂端為,距頂部的距離小于此值屬于單次反射,大于此值可歸于以下探討。經(jīng)過推導(dǎo)得出,在光線沒有射到底部d所在的區(qū)域上時(shí),入射線和入射平面的夾角有如下關(guān)系:α,3α,5α.…,(2n-1)α;當(dāng)射到底面時(shí)入射角和入射平面的夾角是2nα,然后呈2(n-1)α,…,5α,3α,α遞減豎直射出,這都是在最理想的情況下才會(huì)發(fā)生的。對(duì)此我們從α=30°開始討論反射次數(shù)和h1,α,d的關(guān)系(為討論光線入射的平均情況,我們考慮一束光從類錐狀體的半高度垂直入射):對(duì)時(shí),n>10,我們?cè)诖瞬蛔骺紤],由于當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件的限制,底角能達(dá)到Φ=80°已經(jīng)很難。從(1)～(10)式可知,兩個(gè)錐狀體之間保持高度h1不變時(shí),減小間距d,減小半頂角α,反射次數(shù)n會(huì)增多。對(duì)于一定面積的黑硅片,針狀錐的密度ρ和反射次數(shù)n成正比關(guān)系。當(dāng)保持間距d不變時(shí),則針狀錐所占的總面積S不變,ρ、h1、α之間關(guān)系為s=ρπ(h1tanα)2。所以增加高度h1,減小半頂角α,針狀錐的密度ρ隨著增大,總的反射次數(shù)n隨之增多。可見,一定面積黑硅表面光的反射次數(shù)與高度h1、半頂角α、間距d有密切的關(guān)系。因此間距不變的情況下,反射次數(shù)隨著高度h1的增大而增大,隨著半頂角α的減小而增大;高度h1和