非晶硅薄膜YAG激光微晶化晶粒生长研究

以单晶硅(111)为衬底,以等离子体增强化学气相沉积技术制备的非晶硅薄膜为前驱物,采用YAG激光晶化技术实现从非晶硅薄膜到纳米晶硅薄膜的相变过程。采用X射线衍射仪和原子力显微镜对YAG激光晶化薄膜进行了表征与分析。结果表明:薄膜的晶粒尺寸在纳米级;随着激光脉冲频率的增加,晶粒尺寸先变大后变小,其最佳结晶频率区间为10～12 Hz。     

激光能量对沉积纳米Si薄膜晶粒尺寸的影响

为了制备纳米硅薄膜,采用脉冲激光沉积系统,保持靶材和衬底间距不变,在不同激光能量条件下,得到一系列纳米Si薄膜。利用喇曼散射光谱和X射线衍射谱对晶粒尺寸进行了计算和分析,取得了几组数据。结果表明,改变脉冲激光能量时,纳米Si晶粒平均尺寸均随能量的增强先增大后减小;在单脉冲能量为300mJ时制备的纳米Si晶粒平均尺寸最大,为8.58nm。这一结果对纳米硅薄膜制备的研究有积极意义。     

调整靶衬间距实现纳米Si晶粒尺寸的均匀可控

采用脉冲激光烧蚀装置,在10 Pa的氩气环境下,在1～6 cm范围内调整衬底与靶的距离沉积制备了纳米Si薄膜.X射线衍射(XRD)谱和Raman谱测量均证实,纳米Si晶粒已经形成;利用扫描电子显微镜(SEM)观测了所形成的纳米Si薄膜的表面形貌.结果表明,随着靶衬间距的增加,所形成的纳米Si晶粒的平均尺寸减小(尺寸均匀性变差),在3 cm时达到最小值(尺寸分布最均匀),而后开始增大(尺寸均匀性变差).利用蒙特-卡罗(Monte Carlo)方法,对不同靶衬间距下烧蚀产物的输运动力学过程进行了数值模拟,得到与实验结果相同的结论.     

掺铒对激光烧蚀制备纳米硅晶薄膜形貌的影响

在2×10-4 Pa真空下，采用XeCl准分子激光器(波长308 nm)，调整激光单脉冲能量密度为3 J/cm2，交替烧蚀高纯单晶硅(Si)靶和铒(Er)靶，通过调整辐照两靶的激光脉冲个数比来控制掺Er浓度，分别在Si衬底和石英衬底上制备了掺Er非晶Si薄膜。在N2气保护下经高温热退火实现纳米晶化，退火时间为30 min。采用扫描电子显微镜(SEM)观察所得到的样品的表面形貌显示，铒掺杂影响着薄膜的表面形貌，与不掺Er情况相比，掺入适量的Er可以在较低的退火温度下得到晶粒尺寸分布更均匀的薄膜;拉曼谱的测量结果表明，在相同的退火温度下，Er的掺入有利于晶粒的长大，但同时降低了薄膜的晶化度，掺Er非晶Si薄膜要实现完全晶化需要更高的退火温度。     

脉冲激光沉积制备Ge纳米薄膜的研究

利用脉冲激光沉积(PLD)技术,在Ar环境下于Si基片上制备出Ge纳米薄膜.用X射线衍射(XRD)仪和原子力显微镜(AFM)观测了薄膜的微观结构和形貌,分析了它们随激光能量密度和衬底温度的变化情况.结果表明:Ge薄膜在室温下即可以结晶,其平均品粒尺寸随脉冲激光能量密度的增大而增大.当脉冲激光能量密度为0.94 J/cm2时,所制备的薄膜由约13 nm的颗粒组成;当脉冲激光能量密度增大为1.31 J/cm2时,颗粒的平均尺寸增大为56 nm,凡薄膜表面变得比较均匀.此外,当衬底温度从室温升到450℃过程中,晶粒平均尺寸随温度升高而增大.在实验基础上,对薄膜的生长机理进行了分析.     

激光烧蚀制备按尺寸自然分离的纳米Si晶粒

提出了一种将激光烧蚀制备的纳米Si晶粒按尺寸大小进行分离的新方法。在10 Pa高纯环境气体Ar下,采用波长为308 nm的XeCl准分子激光器,固定激光单脉冲能量密度为3 J/cm2,激光烧蚀电阻率为3000Ω.cm的高纯单晶Si靶,在等离子羽轴线正下方2.0 cm处平行放置一系列单晶Si或玻璃衬底来收集纳米Si晶粒。拉曼(Raman)谱测量结果显示,在距靶平行距离为0.5-2.8 cm范围内,所制备的薄膜中均有纳米Si晶粒形成。利用扫描电子显微镜(SEM)观察了样品的表面形貌,对图中的纳米Si晶粒统计分析表明,随着离靶平行距离的增大,所形成的纳米Si晶粒的平均尺寸逐渐减小。从烧蚀动力学角度对实验结果进行了定性解释,因为不同尺寸的纳米Si晶粒获得了不同的水平速度,所以在重力作用下实现了尺寸的自然分离。     

外加氦气流下脉冲激光沉积制备纳米硅晶粒成核区宽度的计算

在室温、10 Pa氦气氛围中,采用脉冲激光沉积(PLD)技术,通过在烧蚀羽辉正上方距靶面不同位置垂直引入一束氦气流,在烧蚀点正下方与烧蚀羽辉轴线平行放置的衬底上沉积了一系列纳米Si晶薄膜。扫描电子显微镜(SEM)、拉曼(Raman)散射光谱和X射线衍射(XRD)谱检测结果均表明,纳米Si晶粒在距靶一定的范围内形成,其尺寸随与靶面距离的增加先增大后减小。在分析衬底上的晶粒尺寸及其位置分布的基础上,结合流体力学模型、成核分区模型、热动力学方程以及晶粒形成后的类平抛运动,计算得出了纳米Si晶粒的成核区宽度为56.2 mm。     

激光脉冲频率对不同衬底上非晶硅薄膜晶化的影响

应用不同频率的YAG激光分别对单晶硅及多晶硅衬底上的非晶硅薄膜进行了退火处理。晶化后的非晶硅薄膜的物相结构和表面形貌用XRD和AFM进行分析。XRD测试结果表明:随着激光频率的增加,两种衬底上的非晶硅薄膜晶化晶粒尺寸均出现了先增加后降低的现象。所有非晶硅样品的衍射峰位与衬底一致,说明非晶硅薄膜的晶粒生长是外延生长。从多晶硅衬底样品的XRD可以看出,随着激光频率的增加,激光首先融化衬底表面,然后衬底表层与非晶硅薄膜一起晶化。非晶硅薄膜最佳晶化激光频率分别为:多晶硅衬底20Hz,单晶硅衬底10Hz。     

沉积速率对硅基LiNbO3光波导薄膜特性的影响

利用脉冲激光沉积技术(PLD)在硅衬底上生长高c轴取向LiNbO3晶体薄膜,研究了激光脉冲频率即薄膜沉积速率对薄膜结晶质量及取向性的影响,发现激光脉冲频率对薄膜的c轴取向性基本没有影响,但对薄膜的结品质量影响较大,激光脉冲频率为3 Hz时获得了高结品质量的c轴取向LiNbO3晶体薄膜.XPS测试表明制得薄膜的组分符合等化学计量比,AFM测试显示制备的薄膜表面光滑,表面粗糙度为4.3 nm.棱镜耦合法测试表明制备的LiNbO3薄膜具有优异的光波导性能,光传输损耗为1.14 dB/cm.     

连续氩氪离子激光晶化非晶硅薄膜的研究

为了研究连续激光晶化非晶硅薄膜中激光功率密度对晶化效果的影响,利用磁控溅射法制备非晶硅薄膜,采用连续氩氪混合离子激光器对薄膜进行退火晶化,用显微喇曼光谱测试技术和场发射扫描电子显微镜研究了薄膜在5ms固定时间下不同激光功率密度对晶化效果的影响,并对比了普通玻璃片和石英玻璃两种衬底上薄膜晶化过程的差异。结果表明,在一定激光功率密度范围内(0kW/cm2~27.1kW/cm2),当激光功率密度大于15.1kW/cm2时,普通玻璃衬底沉积的非晶硅薄膜开始实现晶化;随着激光功率密度的增大,晶化效果先逐渐变好,之后变差;激光功率密度增大到24.9kW/cm2时,薄膜表面呈现大面积散落的苹果状多晶硅颗粒,晶粒截面尺寸高达478nm ;激光功率密度存在一个中间值,使得晶化效果达到最佳;石英衬底上沉积的非晶硅薄膜则呈现与前者不同的结晶生长过程,当激光功率密度为19.7kW/cm2时,薄膜表面呈现大晶粒尺寸的球形多晶硅颗粒,并且晶粒尺寸随着激光功率密度的增大而增大,在 27.1kW/cm2处晶粒尺寸达到最大5.38m。研究结果对用连续激光晶化法制备多晶硅薄膜的研究具有积极意义。     

激光能量对脉冲激光沉积法制备ZnO薄膜性能的影响

脉冲激光沉积技术(PLD)易于获得高质量的氧化物薄膜已成为一种重要的制备ZnO薄膜的技术.采用脉冲激光沉积(PLD)(KrF准分子激光器:波长248 nm,频率5 Hz,脉冲宽度20 ns)方法在氧气气氛中以高纯Zn(99.999%)为靶材、在单晶硅和石英衬底表而成功生长了ZnO薄膜.通过X射线衍射仪、表面轮廓仪、荧光光谱仪、紫外可见分光光度计对合成薄膜材料的晶体结构、厚度、光学性质等进行了研究,分析了激光能量变化对其性能的影响.实验结果表明我们使用PLD法可以制备出(002)结晶取向和透过率高于75%的ZnO薄膜,激光能量为450 mJ的ZnO薄膜的发射性能较好,但激光能量的增加不能改善薄膜的透光率.     

非晶硅薄膜的准分子激光晶化研究

利用Kr准分子激光器晶化非晶硅薄膜, 研究了不同的激光能量密度和脉冲次数对非晶硅薄膜晶化效果的影响.利用X 射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对晶化前后的样品的物相结构和表面形貌进行了表征和分析.实验结果表明, 在激光频率为1 Hz 的条件下, 能量密度约为180 mJ/cm2时,准分子激光退火处理实现了薄膜由非晶结构向多晶结构的转变;当大于晶化阈值180 mJ/cm2小于能量密度230 mJ/cm2时, 随着激光能量密度增大, 薄膜晶化效果越来越好;激光能量密度为230 mJ/cm2时, 晶化效果最好、晶粒尺寸最大, 约60 nm, 并且此时薄膜沿Si(111)面择优生长;脉冲次数50 次以后对晶化的影响不大.     

脉冲激光烧蚀法制备Ag纳米粒子胶体

为了研究激光参数对Ag纳米粒子胶体的影响,采用不同重复率和能量密度的脉冲激光对蒸馏水中的Ag靶烧蚀10 min来制备Ag纳米粒子胶体.通过透射电镜(TEM)和紫外-可见(UV-Vis)分光光度计分析了Ag纳米粒子胶体的大小、形貌和吸收光谱,同时由Image-ProPlus软件分析计算了粒子的平均粒径及其分布.结果表明,由重复率为10 Hz,能量密度为4.2 J/cm2的脉冲激光烧蚀10 min后制备的Ag胶体纳米粒子平均粒径最小(D=17.54 nm),粒径分布最窄(δ=36.86 nm),且形貌较均匀.从而证实了通过调节激光参数来控制纳米粒子尺寸和形貌的可行性.另外,在实验基础上,应用熔化生长"与爆炸"模型讨论了激光烧蚀工艺参数对Ag纳米粒子胶体的影响规律.     

紫外激光照射对硅酸铅玻璃表面结构的影响

采用四倍频的Nd∶YAG脉冲激光(波长266 nm,脉宽10 ns,脉冲能量密度300 mJ/cm2)对PbO摩尔分数在0.3~0.66的硅酸铅玻璃体样品进行照射,并对照射前后样品的X射线光电子能谱(XPS)进行了测量。研究发现266 nm激光照射前后Pb 4f和Si 2p的结合能没有变化,说明Pb和Si元素的价态没有发生改变;但X射线光电子能谱图上这两个峰的高度却有明显的变化:Pb 4f峰增高而Si 2p峰减小,说明硅酸铅玻璃受266 nm紫外激光照射后表面结构发生变化,PbO含量增大而SiO2含量减少。     

激光重复频率对ZnO薄膜发光特性的影响

在不同激光重复频率下用脉冲激光沉积方法(PLD)在Si (111)衬底上生长了ZnO薄膜, 以325 nm He-Cd激光器为激发源获得了薄膜的荧光光谱以研究其发光特性, 用X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)研究了薄膜的晶体结构和表面形貌, 结果表明, 在激光重复频率为5 Hz时薄膜不仅具有良好的结晶质量, 同时也具有优异的紫外发光特性。对于相同的生长时间, 通过分析薄膜的厚度和激光脉冲频率的关系发现：每一个激光脉冲并不对应于薄膜的一个生长瞬间, 而是能够在较长的时间内维持薄膜生长的必要成分和分压。     

中红外砷酸钛氧钾光参变振荡器的实验研究

为了得到高能量中红外激光输出,对电光调Q灯抽运1064nm Nd:YAG抽运复合腔砷酸钛氧钾(KTA)光学参变振荡器(OPO)作了实验研究,在工作频率1Hz时得到OPO输出单脉冲能量6mJ,信号光脉宽10ns,闲频光波长407nm,能量11mJ.在5Hz～40Hz范围单脉冲能量随重复频率增高而降低.实验中采用的复合腔抽运技术有利于提高转换效率,降低起振阈值.使用上述光源对中红外成像器件作实验,在成像系统监视器上观察到激光光斑.这一结果对中红外激光器的研究是有帮助的.     

短脉宽XeCl激光器的实现及光脉冲参数的测量

研究了高气压短脉宽 Xe Cl准分子激光器的设计、制作和激光参数测试。在大体积高气压下 ,采用同步紫外预电离产生辉光放电方法 ,结合激光器物理设计、电路、光学系统设计 ,调整气体配比、气压、放电电压 ,在气体配比为 HCl:Xe:He=0 .1 %:1 %:98.9%下 ,实现了纳秒放电激励的紫外 30 8nm准分子激光激射 ,脉冲能量 5 30 m J,最小脉冲宽度 1 3ns,矩形光斑 2 cm× 1 cm,束散角 3mrad,最高重复频率 5 Hz,并总结了实验规律。     

Laser processing of TiSi2 and CoSi2 thin films on silicon (100) substrates

We have investigated the formation of TiSi₂ and CoSi₂ thin films on Si(100) substrates using laser (wave length 248 nm, pulse duration 40 ns and repetition rate 5 Hz) physical vapor deposition (LPVD). The films were deposited from solid targets of TiSi₂ and CoSi₂ in vacuum with the substrate temperature optimized at 600° C. The films were characterized using x-ray diffraction, scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) and four point probe ac resistivity. The films were found to be polycrystalline with a texture. The room temperature resistivity was found to be 16 μΩ-@#@ cm and 23 μΩ-cm for TiSi₂ and CoSi₂ films, respectively. We optimized the processing parameters so as to get particulate free surface. TEM results show that the silicide/silicon interface is quite smooth and there is no perceptible interdiffusion across the interface.     

High-yield synthesis of silicon nanoparticles via the perpendicular pulsed laser ablation in the inert gas

Si nanoparticles are synthesized at a high rate(400-500 mg/h) using the perpendicular pulsed laser ablation(PPLA) on the silicon target at room temperature in Ar atmosphere.The PPLA method can also be used to obtain Si nanocrystal films with large areas on the glass substrate.These particles are etched with a mixture of hydrofluoric acid(HF) and nitric acid(HNO3) to reduce their sizes and the surfaces of these particles are passivated by the high-pressure water vapor annealing(HWA).After treatin...