飞秒激光改性硅材料的物理机理及其性质研究

辛 旺

(山西大学 物理电子工程学院,山西 太原 030006)



飞秒激光改性硅材料的物理机理及其性质研究

辛 旺

(山西大学 物理电子工程学院,山西 太原 030006)

随着激光技术的不断发展，激光加工在工业生产中得到了十分广泛的应用，例如常见的激光打孔、激光焊接、激光切割以及微纳加工、材料表面的处理以及改性等，激光加工不仅具有精度较高的特点，而且激光加工的速度很快，最大的应用优点是可以适应于不同的加工材料中，激光加工技术对于硬度以及熔点特别高的材料也能够进行不断加工处理。

飞秒激光；改性硅材料；物理机理；性质

在当前的社会背景下，硅材料[1]在我国的电子信息方面发挥着十分重要的作用，因此飞秒激光制备的硅材料受到人们的广泛重视。例如，常见的表面微构造硅材料以及硅纳米晶、飞秒激光掺杂的硅材料等，这些改性硅材料不仅具有很好的光电特性，而且可以实现发光、表面减反、光电响应以及光谱高吸收等，在此过程中能够有效实现与现有硅基材料的兼容，所以这些改性硅材料在我国的发光技术领域、能源技术领域以及发电探测等众多的技术领域中发挥着非常重要的作用。

1飞秒激光的概况以及应用情况分析

在新的科学技术层出不穷的时代背景下，我国的飞秒激光技术[2]不仅在工业技术领域中得到了实践与应用，而且在理论研究方面也具有重要的研究价值。飞秒激光为人们研究改性硅材料的物理机理以及具体的性质特点提供了一种新的物理素材与创新的研究方法。飞秒激光技术不仅可以作为一种超快的探测工具，也可以对一些超快的物理过程进行试件分辨与探测，而且采用飞秒激光时间分辨技术可以看到很多人眼无法识别的物理现象与物理运动过程。

除此之外，飞秒激光与改性材料相互作用的过程中也包含了超快变相、非线性光学、等离子体产生与演化、非平衡态的池豫等丰富的物理内容，通过对飞秒激光的这一物理作用过程进行分析，以便于人们对飞秒激光改性硅材料的具体物理机理以及其性质有清晰的认知。

2飞秒激光的运行机理分析

目前，飞秒激光在我国工业技术领域中的应用实践已经非常完善，并形成了一个成熟的应用体系。因此，对飞秒激光改性硅材料的物理机理以及其性质进行研究分析，首先需要对飞秒激光的具体原理进行分析研究。

其实，在飞秒激光运行过程中能够使飞秒激光实现脉冲的重要技术就是锁模，而锁模这一关键脉冲技术又可分为被动锁模与主动锁模，被动锁模主要是指通过对某一种相同初始相位值的纵模进行针对性选择，然后使其在腔内产生一种不断增益的谐振，谐振会导致腔内的其他模式进一步被抑制，从而实现有效锁模。与被动锁模不同，主动锁模是通过采用诸如声光调制、电光调制等外加剂的形式实现模式的锁定。经过两种不同的锁模形式，飞秒激光器可以将飞秒脉冲的序列进行有效输出，但在此输出过程中由于飞秒脉冲的能量较小，因此需要采用调速再生放大技术将飞秒脉激光脉冲的能量不断增大。在飞秒脉冲的能量转化过程中，由于考虑到增益介质的损伤阀值，因此需要采用光栅对将短脉冲展宽，从而有效地降低其峰值的实际运行功率，此时需要再通过增益介质对飞秒脉冲的实际运行能量进行适当增大，随之可以采用光栅对将宽脉冲压窄，经过这一过程，最终获得更高能量的飞秒激光脉冲。

3飞秒激光改性硅材料的物理机理分析

关于飞秒激光与改性硅材料的相互作用机理，通常在研究实践过程中采用双温模型与分子动力学这两种常见的理论模型进行研究分析。

3.1分子动力学模型用于分析飞秒激光改性硅材料物理机理

在我国的科学技术领域，相关的学者在对飞秒激光改性硅材料的物理机理进行研究分析过程中，通常会采用分子动力学模型来模拟飞秒激光刻蚀硅材料的微观动力学过程。其中，在这一刻蚀过程中主要包括三种不同的作用机理，这三种不同的作用机理都会在一定程度上受到沉积激光能量的巨大影响。

这三种不同的机理主要包括气化、同质成核以及光致机械碎裂，飞秒激光能量由于受到快速沉积的作用机制从而引起局部的迅速膨胀，由此使飞秒激光内部产生巨大的内部集中应力，从而使机械发生破碎。在此过程中通过采用一种独特的物理模型对飞秒脉冲的激光刻蚀改性硅材料进行分析研究，通过论证发现，在物理模型的分子动力学以及统一的蒙特卡洛结构体系内，结合了原子动力学与载流子动力学，最终的分析结果证明，通过飞秒激光的刻蚀作用[3]，在硅材料的表面出现了一种快速热膨胀与等容升温的物理现象，这种现象会导致硅材料产生爆炸式沸腾以及相爆炸的情况。而硅材料在飞秒脉冲激光的作用机制下，硅材料的表面出现的是一种与爆炸式沸腾相反的物理现象，这种现象就是非绝缘的热膨胀过程，在此过程中硅材料高温金属性液体破裂会受到飞秒激光的刻蚀作用。

因此，从整个飞秒激光改性硅材料的物理作用机制来看，硅材料表面实现迅速绝热膨胀是飞秒激光改性硅材料发生相爆炸的重要作用条件，即硅材料的热扩散开始时间要晚于其发生膨胀的时间。所以，只有当硅材料的表面受到持续时间很短的飞秒脉冲激光作用，才会迅速升温导致内部体积不断膨胀；当硅材料中沉积的能量来不及充分释放，就会发生爆炸。

3.2双温模型用于分析飞秒激光改性硅材料物理机理

与分子动力学模型的作用研究机制不同，在对飞秒激光改性硅材料的物理机理以及其性质进行研究分析时，还需要通过采用双温模型进行研究分析。当硅材料的表面有飞秒激光进行辐射之后，在亚皮秒时间刻度之内就会使硅材料的表面电子温度以及晶格温度处于一种动态的非平衡状态。所以，一旦需要对硅材料表面的瞬态热力学作用机制过程进行分析计算，就一定要通过对硅材料的晶格以及电子进行分析考虑。早在1986年，美国的物理学家采用线性迁移理论通过自制的自洽模型，对飞秒激光脉冲作用下的硅材料表面高浓度等离子动力学过程进行了研究分析。在这一自洽模型中，他重点融合了晶格热平衡理论以及粒子数平衡、载流子能量平衡等几种具体的模型理论，其中粒子数平衡理论可以准确反映飞秒激光改性硅材料的物理机理。

通过对飞秒激光作用之下的硅材料表面的热力学过程进行模拟分析，结果证明在530毫米的飞秒激光激发作用下，硅材料在脉冲作用时间段之内，晶体格与等离子体之间处于一种非热平衡运动状态，而且这种运行状态呈现出很大的空间不均匀性。而与1060毫米的激光相比，尽管硅材料的初始吸收率较小，但是硅材料的载流子温度以及载流子浓度依然难以达到预期的高数值要求，此时飞秒激光改性硅材料的整个物理机制中，自由载离子吸收与双光子吸收占据统治的作用地位。

因此，对于上述两种不同的物理学研究模型而言，由于其具体的作用机制不同，所以各自具有不同的研究特点，从总体的研究分析情况来看，动力学模型与双温模型在某种程度上都可以准确反映和模拟飞秒激光改性脉冲硅材料的物理作用机理以及硅材料表面的电子温度、电子浓度、晶格温度的实际时空分布情况，从而定性、定量地对整个硅材料的电子晶格瞬态池豫过程进行界定和描述，使其具有良好的实践研究意义与理论分析意义。

4飞秒激光改性硅材料的性质研究

通过上文中对飞秒激光的改性材料的物理机理以及其性质进行研究分析之后，本文采用飞秒激光沉积的方式在石英玻璃的基底中通过沉积纳米粒组成薄膜，然后分别采用微构造硅靶材以及单晶硅靶材将硅纳米颗粒的薄膜进行沉积，从而通过对其具体的性质进行分析，在此过程中研究退火对硅纳米颗粒薄膜造成的巨大影响。

通过研究发现，沉积在基底的硅纳米颗粒的实际粒径分布在数十纳米到数百纳米之间，而且小的纳米颗粒经过不同的团聚作用会形成更大的纳米颗粒，相比之下，采用微构造硅靶材料制备的纳米颗粒薄膜中的小颗粒更多，而且其中的团聚现象较弱，硅材料表面的空隙率较高，经过退火之后，样品表面的纳米颗粒出现再融合的情况，而从其中的熔合现象[4]中发现，硅材料表面的致密程度与其中的大纳米颗粒的实际变化情况具有一定的关联性。

而且经过透射谱以及反射谱和吸收谱的分析结果进一步表明，没有经过退火的纳米颗粒薄膜具有良好的减反效应，而经过退火之后的样品则对可见光的反射效率在不断上升。在此变化过程中，可见光的减反效果在不断降低，此时硅材料的表面纳米颗粒的尺寸会决定退火样品的反射谱峰，对于单晶硅材料的纳米颗粒薄膜，1550nm波段的微构造硅纳米颗粒薄膜具有很强的吸附性特征，而这一吸附性特征是由微构造硅纳米颗粒中的硫杂质所造成的一种现象。

综上所述，从这些实际的性质特点中可以看出，掺杂情况以及表面空隙、颗粒的实际尺寸大小是影响纳米颗粒薄膜光学性质的主要因素。在此过程中，通过对样品材料进行光致发光分析研究，发现其中存在一条连续谱的发光光线，而且飞秒激光具有超快的衰减变化速度，这一实际的变化速度与泵浦光的仪器响应函数以及光致发光衰减曲线存在一定的线性相关性。因此，从中可以推测出该超连续谱为泵浦光产生的光致发连续谱，并由此可以看出，硅纳米材料具有很强的非线性，这是导致该超连续谱产生的实际影响因素，从而大大降低了该光致发光超连续谱的产生阈值。所以，对飞秒激光改性硅材料的物理机理及其性质进行研究，在某种程度上可以为人类科学技术的发展做出更大的贡献。

[1]柴路,胡明列,方晓惠,等.光子晶体光纤飞秒激光技术研究进展[J].中国激光,2013(1):7-20.

[2]王文亭,胡冰,王明伟.飞秒激光精细加工含能材料[J].物理学报,2013(6):69-74.

[3]高胜淼,韩培高,闫珂柱.飞秒激光对硅表面微构造的研究进展[J].激光与光电子学进展,2013(11):16-22.

[4]朱敏,李晓红,李国强,等.飞秒脉冲激光辐照对硅发光性能的影响[J].物理学报,2014(5):389-396.

(责任编辑：高 坚)

2016-03-12

TN24

A

1673-8535(2016)03-0034-03

辛旺(1986-)，男，山西大同人，山西大学物理电子工程学院教师，硕士，研究方向：凝聚态物理。