飞秒脉冲激光辐照对硅发光性能的影响

利用飞秒脉冲激光对单晶硅进行辐照,研究了在不同环境(纯水和空气)和能量密度条件下激光刻蚀过后硅片的光致荧光特性.对于辐照后的硅片,利用了场发射扫描电子显微镜(FESEM)、能谱仪(EDS)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、光致荧光光谱仪(PL)进行表征.结果显示:在空气中样品表面形成了条纹状微结构,纯水中硅片表面生成了尺寸更小的珊瑚状微结构;激光刻蚀后在硅片表面的生成物主要是SiOx(x2),在纯水中处理后硅片氧元素的含量接近是空气中的4倍;傅里叶变换红外透射谱中主要为Si—Si键(610 cm-1)和Si—O—Si键(1105 cm-1)的振动;在空气和纯水中激发出的荧光均为蓝光(420—470 nm),在各自最佳激发波长下,纯水中荧光强度比空气中强2到3倍,但是在可见光范围内荧光峰的位置和形状都基本没有发生变化.研究表明:氧元素在光致发光增强上起着重要作用,光致发光最主要是由形成的氧缺陷SiOx(x2)导致的,生成低值氧化物SiOx的多少决定了发光的强弱.     

飞秒脉冲激光辐照下硅表面光致荧光特性(英文)

采用钛宝石飞秒脉冲激光对单晶硅在空气中进行辐照,研究了硅表面在不同扫描速度和能量密度下的光致荧光特性。光致荧光谱(PL)测量表明,在样品没有退火处理的情况下,激光扫描区域观察到橙色荧光峰(603nm)和红色荧光带(680nm附近)。扫描电子显微镜(SEM)测量显示,在飞秒脉冲激光辐照硅样品的过程中硅表面沉积了大量的纳米颗粒。利用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)检测到了低值氧化物SiOx(x2)的存在,并且结合能谱仪(EDS)检测结果发现氧元素在光致发光中起着重要作用。研究表明:603nm处橙色荧光峰来自微构造硅表面低值氧化物SiOx,680nm附近红色荧光带来自量子限制效应。同时样品表面硅纳米颗粒的尺寸和氧元素的浓度分别决定了红色荧光带和橙色荧光的强度,通过调节飞秒激光脉冲的扫描速度和能量密度,可以有效地控制样品的荧光强度。     

单脉冲纳秒激光诱导硅表面微结构

利用Nd:YAG纳秒脉冲激光(波长532nm)在空气中对单晶硅表面进行单脉冲辐照,研究了激光能量密度和光斑面积变化对微结构的影响。通过场发射扫描电子显微镜和原子力显微镜(AFM)对样品表征,并对纳秒激光辐照硅的热力学过程进行分析。结果显示:当脉冲激光的能量密度接近硅的熔融阈值且光斑直径小于8μm时,形成尖峰微结构;随着能量密度或光斑面积增大,尖峰结构消失,形成边缘隆起和弹坑微结构。通过流体动力学模型得到微结构形貌的解析解,模拟得到的微结构形貌与实验测得的AFM数据一致。研究表明微结构的形成主要是由于表面张力引起的熔融硅流动。表面张力与表面温度和表面活性剂的质量浓度有关。温度梯度引起的热毛细流作用和表面活性剂浓度引起的毛细作用共同影响下形成尖峰、边缘隆起和弹坑微结构。