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纳秒脉冲激光诱导单晶硅材料荧光效应的研究

刘春阳

  随着多孔硅在室温下可以被激发出荧光的现象的发现,具有稳定发光特性的硅基结构和器件的研究和制备得到了广泛的关注,硅材料的光电现象的研究也成了科学研究和工业应用研究关注的热点。传统的加工制备工艺方法,如多孔硅的制备研究,多以电化学腐蚀和光化学腐蚀的方法为主,在经过阳极氧化处理后,需要借助腐蚀溶液刻蚀等方法,促成多孔硅微结构的形成,其制备方法复杂,工艺繁琐,环境要求高,且化学制剂的配比要求严格,废料污染环境,不利于环保低碳的社会化生产,同时制备效率低,周期长,可控性差,不适于工业推广和大批量制备。利用脉冲激光辐射单晶硅,可以导致硅材料表面的结构和组成成分发生改变,并引起硅材料光学属性的改变,使得利用脉冲激光微加工技术制备具有光学属性的硅基微结构成为可能。 本文基于自主开发设计的紫外纳秒脉冲激光微加工系统进行了单晶硅材料的加工实验研究,对纳秒脉冲激光和单晶硅作用的机理和产生荧光发射现象的原因进行了分析和研究,提出了利用脉冲激光照射加工单晶硅材料,直接制备具有荧光效应的硅基微结构的方法,简化了制备的加工工艺,方便实现,易于控制,提高了加工结果的可控性,同时也更加环保,避免了化学试剂的污染。本文的研究成果和工作内容包括以下几个方面: 1.加工机理和荧光现象的分析 通过对纳秒脉冲激光和单晶硅的相互作用和加工理论模型的分析,理解了纳秒脉冲激光加工单晶硅形成微结构的过程和机理;通过对荧光现象的物理过程以及多孔硅的荧光发射机理的分析,提出了利用纳秒脉冲激光照射加工单晶硅,制备具有荧光效应的微结构的研究思路。通过脉冲激光对加工结果的影响因素分析,为设计纳秒脉冲激光微加工系统提供了参考。 2.自主设计纳秒脉冲激光微加工系统 设计了适用于单晶硅加工的紫外纳秒脉冲激光微加工系统。该系统包括355nm波长纳秒脉冲激光器,光路机械结构,上位机图形处理软件,以DSP(数字信号处理芯片)和FPGA(现场可编程门阵列芯片)为核心的下位机运动控制系统,以及其他辅助系统。激光脉冲宽度小于40ns,脉冲重复频率从1Hz到100kHz可调,电控位移平台在步进电机驱动器32细分下,单步运动精度为625nm。较高的平均功率和脉冲重复频率,保证了激光加工的效率;电控位移平台的单步位移长度以及控制系统的控制精度保证了激光微加工的尺寸和质量。 3.加工单晶硅及其荧光现象的实验研究 基于设计的紫外纳秒脉冲激光微加工系统,对单晶硅材料进行了加工实验并分析了其加工过程和荧光现象。借助SEM(扫描电子显微镜)等设备,对加工的微结构表面和截面进行分析,并对脉冲冲击破坏晶体内部结构进行了阐述,深化了对纳秒脉冲激光和单晶硅作用过程的理解和认识。利用光谱分析仪器,分析了加工区域荧光现象的特点、荧光光强衰减变化的规律,对利用脉冲激光微加工技术直接制备具有稳定光学属性的硅基微结构进行了基础探索,并提供了理论依据和实验支持。……   
[关键词]:纳秒脉冲激光;微加工系统;DSP;FPGA;单晶硅;荧光现象;光谱分析
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:天津大学2012年
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