飛秒激光制備半導體表面納米周期結構.pdf

1、自從飛秒激光出現后，超短脈沖激光與物質的相互作用就引起了廣泛的關注。在此過程中，出現了許多引人注目的現象，例如飛秒脈沖誘導短周期納米結構，其周期遠小于激光波長。這在突破衍射極限的微光學器件制備、材料改性及二維平板顯示等方面具有廣闊的應用前景。但其形成機制仍然是一個讓人困擾的問題。激光干涉刻蝕技術是制備一維光柵結構、二維、三維光子晶體的一種成熟而有效的方法。由于飛秒激光超短、超強的特性，激光干涉刻蝕技術有了更廣闊的發(fā)展空間。本文重點研究了

2、飛秒脈沖在半導體材料ZnO表面誘導納米結構的機理，并將這種方法與多光束干涉技術相結合，在多種半導體表面制備出了多種花樣的周期納米圖案。其主要內容如下：
　　 (1)飛秒脈沖在ZnO晶體表面誘導納米結構的周期隨脈沖能量、照射脈沖數變化。但在一定的激光強度范圍內，經過大量飛秒脈沖的照射，其周期都趨近于λ/2n，n為材料折射率，λ為激光波長。本文提出了一種新的模型解釋飛秒脈沖誘導納米結構的形成機理，認為在納米條紋的形成過程中，樣品應分

3、為上下兩層分別討論。表層直接與光相互作用，不同的脈沖能量及照射脈沖數下形成了不同的條紋結構；在內層中，由于飛秒激光照射過程中的非線性吸收及雪崩電離過程而產生了大量的納米等離子體，介電常數隨激光參數而變化，這些納米等離子體對入射光具有散射作用。散射光相互作用而逐漸形成了強烈的駐波場，從而誘導形成規(guī)則的納米條紋結構。當表層被燒蝕剝離后，露出了內層的對比度高的、缺陷少的納米條紋結構。利用有限元法模擬計算了不同脈沖能量密度下表層結構及駐波場的形

4、成過程，并很好的解釋了實驗結果。
　　 (2)將飛秒脈沖誘導納米結構與雙光束干涉結合，在半導體表面制備了二維周期結構。由于雙光束干涉的強度分布對納米條紋長度的限制作用，得到了周期性更好的規(guī)則納米條紋結構，并有望應用于微光柵制備上。此外，改變激光參數，在飛秒脈沖能量較大的情況下，雙光束干涉能在半導體表面制備一種新的結構－亞微米孔陣列。通過研究亞微米孔隨照射脈沖數的演化過程可以知道，亞微米孔是由激光誘導的長周期條紋演化形成的。雙光束

5、干涉在此過程中具有非常重要的作用，其光強周期分布限制了長周期條紋在長度方向生長，使之隨著激光脈沖的照射只能加深、加寬，最終形成了亞微米孔。進一步研究發(fā)現亞微米孔陣列能引起ZnO晶體在寬譜范圍內的吸收增強。理論模擬發(fā)現，ZnO表面結構的Mie散
　　 (3)將飛秒脈沖誘導納米結構與多光束干涉技術相結合，我們利用三光束、四光束干涉技術在多種半導體表面制備了納米－微米復合周期結構。在不同的光束間夾角及偏振組合情況下，在多種半導體表面制

6、備得到了多種多樣的納米復合周期結構。通過改變激光的偏振組合，使干涉花樣與納米花樣發(fā)生變化，激光偏振成為影響干涉的一個重要因素，增加了多光束干涉的多樣性和靈活性。我們理論計算了多光束干涉場的強度分布與偏振分布，很好地解釋了納米復合周期結構的形成。在此基礎上我們進一步研究了納米復合周期結構的光致發(fā)光增強。拍攝的顯微發(fā)光照片說明了其在二維顯示方面具有巨大的應用潛力。
　　 (4)在飛秒激光照射ZnSe樣品的部分燒蝕斑上發(fā)現了激射現象，