飞秒激光作用下的硅表面微结构及发光特性

采用近红外飞秒激光辐照浸泡在硫酸溶液中的N型单晶硅片,激光波长800 nm,脉宽200 fs,重频1 kHz,平均功率为100 mW,而硫酸溶液的质量分数分别选择为0.1%和1%。辐照后硅表面呈直径为5~8 mm,高度15 mm的柱型结构。分析其荧光特性,并通过比较硅材料表面微结构与激光光源、扫描参数、硅片背景环境的关系,确定最佳辐照条件为激光扫描速度750 mm/s,扫描间距5 mm/s。最终在厚度0.5 mm、直径26 mm的硅片上获得10 mm×10 mm的方形扫描区域,荧光光谱显示激光扫描后的区域在700 nm附近有很强的荧光发射。分析结果表明飞秒激光扫描改变了样品的表面微结构尺寸,增大了吸收面积,扩展了荧光激发波长,有效提高了样品的吸收效率和荧光发光相对强度(超过扫描前发光相对强度的2倍),荧光发射谱的变化是由量子限制效应和表面态模型共同作用的结果。     

532 nm纳秒激光辐照下的单晶硅表面微结构及荧光特性

采用Nd:YAG纳秒脉冲激光对单晶硅在空气中进行辐照,研究了表面微结构在不同能量密度和扫描速度下的演化情况。扫描电子显微镜测量表明,激光在相对较低能量密度下辐照硅表面诱导出鱼鳞状波纹结构,激光能量密度相对较大时,诱导出絮状多孔的不规则微结构。光致荧光谱（PL）表明,激光扫描区域在710 nm附近有荧光发射。用氢氟酸腐蚀掉样品表面的SiOx后,荧光峰的强度显著降低,说明SiOx在光致发光增强上起重要作用。能量色散X射线谱（EDS）表明氧元素的含量随激光能量密度的增大而增加。研究表明：纳秒激光的能量密度和扫描速度对微结构形成起着决定性作用,改变了硅材料表面微结构尺寸,增大了光吸收面积; 氧元素在光致发光增强上起重要作用,微构造硅和SiOx对光致荧光的发射都有贡献。     

飞秒脉冲激光辐照下硅表面光致荧光特性

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（603 nm）和红色荧光带（680 nm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（x＜2）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：603 nm处橙色荧光峰来自微构造硅表面低值氧化物SiOx,680 nm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。     

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.     

飞秒激光诱导硒化锌晶体表面自组织生长纳米结构

 以250 kHz高重复频率钛宝石飞秒激光聚焦到硒化锌晶体表面,利用扫描电子显微镜观测飞秒激光辐照后晶体的表面结构。发现线偏振激光辐照的区域形成了自组织周期性纳米结构,其周期为160 nm左右,并且可以通过改变激光的偏振方向调节纳米光栅结构的取向;当晶体相对于激光光束以10 mm/s速度移动,经激光扫描后,在晶体表面形成了长程类布拉格光栅。当飞秒激光光束为圆偏振光时,辐照区域形成均匀的纳米颗粒。     

脉冲激光辐照单晶硅形成的低维结构及其光致荧光特性

将功率密度约为0.5 J·s-1·cm-2、脉冲宽度约为8 ns、束斑直径为0.045 mm、波长为1 064 nm的YAG激光束照射在硅样品表面打出小孔,在孔内的侧壁上形成较规则的网孔状结构;该结构有很强的光致荧光,其强度比该样品的瑞利散射强;发光峰中心约在700 nm处。在无氧化的环境里用激光加工出的硅样品几乎无发光,这证实了氧在光致荧光增强上起着重要作用。用冷等离子体波模型来解释孔侧壁网孔状结构形成的机理,并用量子受限-发光中心模型来解释纳米网孔壁结构的强荧光效应。当激光辐照时间为9 s时,孔洞侧壁上的网孔状结构较稳定,且有较强的光致荧光。     

飞秒激光诱导图案独立显示研究

介绍了采用中心波长为800nm的飞秒激光在不锈钢(316L)表面诱导产生独立显示图案的研究。结果表明,当扫描速率为15mm/s,扫描行距为20μm,能量密度为1.1J/cm2时,飞秒激光能够在不锈钢表面形成均匀的周期为540nm的亚波长条纹结构。利用条纹结构的方向与激光光波偏振方向严格垂直的特性,通过改变激光偏振,可以在金属表面形成不同方向的条纹图案。在照明白光的辐照下,改变样品的方位角,形成的图案能够以彩色方式显示出来。此外,对使图案彩色显示的坐标区域与图案色彩能够覆盖的可见光谱范围进行了研究,并对其可能的应用进行分析。     

飞秒激光诱导图案独立显示研究

介绍了采用中心波长为800 nm的飞秒激光在不锈钢(316L)表面诱导产生独立显示图案的研究。结果表明,当扫描速率为15 mm/s,扫描行距为20 m,能量密度为1.1 J/cm2时,飞秒激光能够在不锈钢表面形成均匀的周期为540 nm的亚波长条纹结构。利用条纹结构的方向与激光光波偏振方向严格垂直的特性,通过改变激光偏振,可以在金属表面形成不同方向的条纹图案。在照明白光的辐照下,改变样品的方位角,形成的图案能够以彩色方式显示出来。此外,对使图案彩色显示的坐标区域与图案色彩能够覆盖的可见光谱范围进行了研究,并对其可能的应用进行分析。     

脉冲激光辐照单晶硅形成的低维结构及其光致荧光特性

 将功率密度约为0.5 J·s^-1·cm^-2、脉冲宽度约为8 ns、束斑直径为0.045 mm、波长为1 064 nm的YAG激光束照射在硅样品表面打出小孔,在孔内的侧壁上形成较规则的网孔状结构;该结构有很强的光致荧光,其强度比该样品的瑞利散射强;发光峰中心约在700 nm处。在无氧化的环境里用激光加工出的硅样品几乎无发光,这证实了氧在光致荧光增强上起着重要作用。用冷等离子体波模型来解释孔侧壁网孔状结构形成的机理,并用量子受限-发光中心模型来解释纳米网孔壁结构的强荧光效应。当激光辐照时间为9 s时,孔洞侧壁上的网孔状结构较稳定,且有较强的光致荧光。     

低强度飞秒激光激发下CdTe和CdTe/CdS核壳量子点的荧光上转换研究

利用400 nm和800 nm不同波长的低强度飞秒激光,对CdTe和CdTe/CdS核壳量子点溶胶进行激发,研究其稳态和时间分辨荧光性质.800 nm飞秒激光激发下,CdTe和CdTe/CdS核壳量子点产生上转换发光现象,上转换荧光峰与400 nm激发下的荧光峰相比蓝移最多达15 nm,而且蓝移值与荧光量子产率有关.变功率激发确认激发光功率与上转换荧光强度间满足二次方关系,时间分辨荧光的研究表明荧光动力学曲线服从双e指数衰减.提出表面态辅助的双光子吸收模型是低激发强度上转换发光的主要机理.CdTe和CdT 关键词： CdTe量子点 CdTe/CdS核壳量子点 时间分辨荧光 上转换荧光     

应用碳化硅表面改性技术降低全息-离子束刻蚀光栅刻槽的粗糙度

采用具有良好比刚度和热稳定性的碳化硅材料作为基底,使用全息-离子束刻蚀技术制作了光栅。碳化硅材料表面固有缺陷导致制作的光栅刻槽表面粗糙度高,槽底和槽顶粗糙度分别达到了29.6 nm和65.3 nm (R_q)。通过等离子辅助沉积技术在碳化硅表面镀制一层均匀的硅改性层,经过抛光可以获得无缺陷的超光滑表面。XRD测试表明制备的硅改性层为无定形结构。原子力显微镜的测试结果表明:经过抛光后,表面粗糙度为0.64 nm(R_q)。在此表面上制作的光栅刻槽表面粗糙度明显降低,槽底和槽顶粗糙度分别为2.96 nm和7.21 nm,相当于改性前的1/10和1/9。     

等离子体浸没离子注入制备黑硅抗反射层及其光学特性研究

表面织构是一种有效降低表面反射率、提高硅基太阳能电池效率的方法. 采用等离子体浸没离子注入的方法制备了黑硅抗反射层.分别通过原子力显微镜和紫外-可见-近红外分光光度计对黑硅样品表面形貌和反射率进行分析, 结果发现黑硅样品表面布满了高度为0—550 nm的山峰状结构, 结构层中硅体积分数和折射率随抗反射层厚度增加而连续降低. 在300—1000 nm波段范围内,黑硅样品的加权平均反射率低至6.0%. 通过传递矩阵方法对黑硅样品反射谱进行模拟,得到的反射谱与实测反射谱非常符合.     

Broadband antireflection gratings fabricated upon silicon substrates

We fabricated a two-dimensional subwavelength structured (SWS) surface upon a crystal silicon substrate. The SWS surface was patterned by electron beam lithography and etched by an SF(6) fast atom beam. The SWS grating had a conical profile, the period was 150 nm, and the groove was approximately 350 nm deep. The reflectivity was examined at 2002500-nm wavelengths. At 400 nm the reflectivity decreased to 0.5% from the 54.7% of the silicon substrate. We also used HeNe laser light to examine the reflectivity as a function of the incident angle.     

Enhanced ultraviolet to near-infrared absorption by two-tier structured silicon formed by simple chemical etching

Two-tier structured silicon with micron/nanometre scale features is fabricated by simple wet chemical etching. The structured silicon sample exhibits dramatically enhanced absorption from ultraviolet to near-infrared wavelength (250–2500?nm). Absorption is enhanced to near unity at wavelengths shorter than 1100?nm caused by the extremely suppressed reflection from the two-tier structured surface. Within the wavelength range from 1100 to 2500?nm, the sample exhibits a strong absorbance of 69.6% at 1100?nm and an average of 30% at longer wavelengths. By analyzing XPS spectra from the surface of the two-tier structured sample, we attribute this near-infrared absorption to band structure and morphological changes presented in the textured layer.     

Miniature lamellar grating interferometer based on silicon technology

We present a lamellar grating interferometer realized with microelectromechanical system technology. It is used as a time-scanning Fourier-transform spectrometer. The motion is carried out by an electrostatic comb drive actuator fabricated by silicon micromachining, particularly by silicon-on-insulator technology. For the first time to our knowledge, we measure the spectrum of an extended white-light source with a resolution of 1.6 nm at a wavelength of 400 nm and of 5.5 nm at 800 nm. The wavelength accuracy is better than 0.5 nm, and the inspected wavelength range extends from 380 to 1100 nm. The optical path difference maximum is 145 microm. The dimensions of the device are 5 mm x 5 mm.     

SiOx纳米管的制备及其发光特性

以液态金属镓为媒介,利用热蒸发法合成大量非晶SiOx纳米管,这些纳米管管径均匀分布,平均约80 nm,长度大于10μm,且管内外径比例较小．分析发现,在实验过程中,熔入金属镓液滴中的硅元素和氧元素结合并从液滴的表面饱和析出,形成以镓为中心的非晶SiOx纳米管状结构．在室温中,利用260 nm的激发光源激发SiOx纳米管,发现在蓝光波段附近发出强而稳定的PL谱线,这可能与样品中的氧缺陷和空位有关．     

Silicon nano-wires fabricated by thermal evaporation of silicon wafer

Thin silicon nano-wires (SiNWs) with a diameter of 10–20 nm were fabricated by a simple thermal evaporation of silicon wafer at 1523 K. The gold produced by an electrochemical method was covered on the wafer surface as catalyst. It was found that the SiNWs are amorphous and its Raman peak shifted down maybe due to the effect of laser heating and quantum confinement. Finally, a temperature gradient growth model is suggested to explain the growth direction of SiNWs.     

Silicon nitride transmission X‐ray mirrors

Transmission X‐ray mirrors have been fabricated from 300–400 nm‐thick low‐stress silicon nitride windows of size 0.6 mm × 85 mm. The windows act as a high‐pass energy filter at grazing incidence in an X‐ray beam for the beam transmitted through the window. The energy cut‐off can be selected by adjusting the incidence angle of the transmission mirror, because the energy cut‐off is a function of the angle of the window with respect to the beam. With the transmission mirror at the target angle of 0.22°, a 0.3 mm × 0.3 mm X‐ray beam was allowed to pass through the mirror with a cut‐off energy of 10 keV at the Cornell High Energy Synchrotron Source. The energy cut‐off can be adjusted from 8 to 12 keV at an angle of 0.26° to 0.18°, respectively. The observed mirror transmittance was above 80% for a 300 nm‐thick film.     

原子力显微镜加工红外微透镜阵列的研究

提出了利用原子力显微镜灰阶阳极氧化方法加工Si、Ge、GaAs等晶体材料为基础的红外微透镜阵列.加工了3×3的红外硅微透镜阵列,微透镜的高度和表面直径重复性误差分别为0.2nm和6.0 nm,微透镜的平均曲率半径为510.8 nm.分析了原子力显微镜加工红外微透镜产生面型结构误差的原因,并提出了减小面型结构误差的方法.利用此种方法加工的折射、衍射和混合红外微透镜阵列可以进一步缩小红外成像系统的尺寸.