【摘 要】
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硅作为一种十分重要的半导体材料,凭借其良好的导热性、机械强度和红外透过率等性能,被广泛应用于光电探测和半导体集成电路等领域。在保留硅自身特性的基础之上,利用表面结构化设计与处理,可以调控硅的光学特性以及表面特性,这使结构化硅材料在太阳能电池、微电子、微光学等领域受到越来越广泛的关注。目前,硅表面微纳结构的加工方法有很多种,主要包括机械加工、化学刻蚀、激光加工等。近年来,随着飞秒激光的快速发展,飞秒
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
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硅作为一种十分重要的半导体材料,凭借其良好的导热性、机械强度和红外透过率等性能,被广泛应用于光电探测和半导体集成电路等领域。在保留硅自身特性的基础之上,利用表面结构化设计与处理,可以调控硅的光学特性以及表面特性,这使结构化硅材料在太阳能电池、微电子、微光学等领域受到越来越广泛的关注。目前,硅表面微纳结构的加工方法有很多种,主要包括机械加工、化学刻蚀、激光加工等。近年来,随着飞秒激光的快速发展,飞秒激光微纳加工技术因其加工成本低、操作灵活和易于大规模加工等优点成为材料表面微纳米级别高精度加工和改性的一种极具潜力的工具。一方面,飞秒激光拥有超高的峰值功率和超短的脉宽,能够通过紧聚焦直写烧蚀在硅表面制备微纳结构,实现硅表面的功能化,但是仍然存在实际功能化应用不足的问题,亟待开发更多样化的功能。另一方面,基于飞秒激光诱导周期性表面结构,能够突破光学衍射极限、达到亚波长量级,但是目前在硅表面制备高质量、多样化的纳米结构及其灵活调控仍是一个很大的挑战。针对上述问题,本论文围绕功能化的硅基微米结构与周期性纳米结构的制备与应用展开了系统的研究。对飞秒激光制备硅基自驱动微米通道进行研究,并设计制备自驱动微流控芯片,对于其在微流控领域的实际应用具有极大的推动作用。通过提出二次空间选择性非晶化及刻蚀的新方法,实现了高规整的深光栅纳米结构与多样化规整二维纳米结构的可控制备,丰富了功能化硅基微纳结构的种类,为飞秒激光微纳加工提供了新思路。将本论文的主要研究工作总结如下:1.针对飞秒激光制备硅基微纳结构功能化不足的问题,基于飞秒激光对材料形性同控的独特优势,文中通过直写烧蚀的方式在单晶硅表面制备微米通道,并对通道的流体自驱动功能进行系统研究。结合毛细动力学知识,我们对微米通道的形貌与浸润特性进行分析,阐明微米通道自驱动性能的内在机理,并建立了液体流速相关的流体动力学模型。在此模型的指导下,我们通过优化激光加工参数,实现了自驱动特性稳定、流速可调的微米通道的可控制备。2.为了推动飞秒激光制备的功能化硅基结构在微流控领域的应用,我们将自驱动微米通道与表面增强拉曼散射（SERS）检测技术相结合,利用飞秒激光制备了硅基自驱动微流控SERS芯片。一方面利用飞秒激光在硅表面诱导制备周期性微纳结构并沉积银膜作为SERS活性基底,然后通过调节飞秒激光加工参数对SERS活性基底表面形貌及其增强能力进行研究,以优化基底SERS活性。并进一步利用自驱动微流控芯片对Hg2+检测展开研究,阐明了以R6G作为探针分子的检测机理,实现了对Hg2+的定量检测,其检测限可达10-9M。3.针对飞秒激光制备硅周期纳米结构质量欠佳、调控性不够灵活的问题,文中提出飞秒激光二次空间选择性非晶化结合化学刻蚀的新方法,对硅周期性纳米结构的制备进行研究。首先,论文提出空间选择性非晶化的新概念,探索了飞秒激光参数对于硅表面选择性非晶化制备纳米结构的形貌调控,并阐明了高规整光栅结构形成的物理机制。基于所制备的规则一维纳米光栅结构,通过二次空间选择性非晶化的加工技术实现了对一维纳米光栅结构的有效加深,明确了结构加深的内在作用机制,最终实现了结构深度提高三倍。进一步研究入射飞秒激光的偏振方向的变化,实现了多种规则的二维周期性纳米结构的可控制备,提出叠加效应与结构对光场局域增强效应的竞争模型,明确了多样化二维结构的形成机制。4.研究了硅表面周期性纳米结构的光学性能及其在结构色领域的潜在应用。通过对飞秒激光制备的光栅结构光学特性研究表明利用二次空间选择性非晶化得到的深光栅结构具有优越的减反射性能以及SERS活性。并进一步研究了不同偏振入射光下光栅结构减反和SERS依赖特性,发现深光栅结构表现出更强的偏振敏感特性。针对深光栅结构,探索了在不同波长下的SERS、减反偏振依赖特性,并结合论模拟进行分析。对于一维光栅结构的图案化结构色和二维结构多角度可视结构色的研究,展现了硅基周期结构在彩色显示领域具有潜在应用前景。
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