不同气体环境下532nm激光诱导硅表面形貌的研究

研究了在不同气体环境下,利用532nmNd：YAG纳秒脉冲激光累积辐照单晶硅表面形成的微结构,结果表明,在其他条件相同,背景气体不同的情况下,背景气体对硅表面形貌的形成起着重要的作用。具体分析了真空、N2和SF6 3种环境气氛下形成的微结构,结果显示,在sF6中形成的锥形微结构的数密度比在N2和真空中的大,并且锥形具有更大的纵横比;在N2、真空和sF6中形成的微结构尺寸依次减小。sF6气氛下,激光辅助化学刻蚀的效率比在真空和N2气氛中的高。另外,辐照区域边缘有波纹微结构形成,分析认为,该微结构的形成是由表面张力波的冷却导致的。     

不同气氛下飞秒激光诱导硅表面微结构

利用钛宝石飞秒激光脉冲对单晶硅在SF6、空气和真空环境中进行了累积脉冲辐照,研究了硅表面微结构的演化。在SF6气氛中,在激光辐照的初始阶段,硅表面形成了1维的波纹结构,随着辐照脉冲数的增加,波纹结构演化成了2维凹凸结构。累积600个脉冲后,硅表面产生了准规则排列且具有大纵横比的锥形尖峰结构。该结构呈现高度相对较低、锥形尖端小球不明显的特征,分析认为主要与环境气压的大小有关。对比空气、SF6和真空中的微结构发现,尖峰的数密度依次减小;SF6中形成的尖峰高度最大,其次为真空,再次为空气。研究结果表明,真空、SF6和空气3种环境下微结构的形成及表面形貌主要由激光烧蚀、化学刻蚀和氧化决定。     

纳秒激光脉冲诱导硅表面微结构

利用Nd:YAG纳秒激光脉冲,在能量密度为1～10 J/cm2范围内辐照单晶硅,形成了表面锥形微结构,在SF6气氛和空气环境下均形成了锥形尖峰表面微结构。SF6气氛下产生的锥形尖峰顶端都有小球,部分锥形上还有二次尖峰形成,空气中纳秒激光诱导的锥形尖峰微结构顶端和边缘有由液滴固化形成的粒状物质,不同于利用准分子纳秒激光诱导的细长须状结构和飞秒激光辐照下产生的具有表面枝蔓状纳米结构的锥形微结构。实验结果表明,这种尖峰微结构的形成与辐照激光的波长和脉冲持续时间有关。对空气中微构造硅的辐射反射的初步研究表明,在500～2 400 nm范围内的光辐射反射率不高于20%。     

Nd:YAG纳秒激光诱导硅表面微结构的演化

利用Nd:YAG纳秒激光(波长为532和355 nm)对单晶硅在真空中进行了累积脉冲辐照,研究了表面微结构的演化情况.在激光辐照的初始阶段,532和355 nm激光脉冲均在硅表面诱导出了波纹结构,后者辐照硅表面后形成了近似同心但稍显混乱的环形波纹结构.随着脉冲数的增加,波纹结构逐渐演化为一种类似珠形的凹凸结构,最后形成准规则排列的微米量级锥形结构,该微结构的生长依赖于表面张力波和结构自组织.分析发现,形成的交叉环形结构主要是在355 nm激光辐照硅的过程中,表面张力波导致波纹结构部分叠加的结果.     

1064 nm纳秒脉冲激光诱导硅表面微结构研究

利用Nd:YAG纳秒激光(波长为1064 nm)在不同气氛(空气、N₂,真空)中对单晶硅进行累积脉冲辐照,研究了表面微结构的演化情况.在激光辐照的初始阶段,与532和355 nm纳秒脉冲激光在硅表面诱导出波纹结构不同,1064 nm脉冲激光诱导出了微孔结构和折断线结构,并且硅的晶面取向不同,相应的折断线结构也不同.对于Si(111)面,两条折线交角为120°或60°,形成网状;而对于Si(100)面,两条折断线正交,从而将表面分成了15—20 μm的矩形块.结果表明,微孔结构的生长过程主要与相爆炸有关,而折断线的形成主要是热应力作用的结果.不同气氛对微结构形成的影响表明,刻蚀率和生长率与微结构的形成有密切的关系. 关键词： 纳秒激光 硅的微结构 相爆炸 热应力     

脉冲激光辐照硅材料引起表面波纹的特性研究

叙述了激光与材料相互作用过程中引起相干受激光散射的机制,以及形成材料表面波纹的特性。在激光波长1．06μm、能量15mJ、光斑直径2mm、脉冲半峰全宽约10ns和入射方向为布儒斯特角的条件下,进行了脉冲激光辐照硅材料形成表面波纹的实验研究。在脉冲激光辐照硅材料表面功率密度略大于材料损伤阈值的条件下,发现了硅材料表面形成的平行等间距直线条纹结构。用光学显微镜和原子力显微镜分别测量了被辐照硅材料表面的波纹形貌特征。在假设硅材料表面波纹的产生与声波在材料中的传播速度有关的条件下,由声波传播速度和激光辐照硅材料的脉冲宽度较好地解释了材料表面形成条纹的宽度．并认为在形成表面波纹的过程中,热应力起主要作用。     

单脉冲纳秒激光诱导硅表面微结构

利用Nd:YAG纳秒脉冲激光(波长532nm)在空气中对单晶硅表面进行单脉冲辐照,研究了激光能量密度和光斑面积变化对微结构的影响。通过场发射扫描电子显微镜和原子力显微镜(AFM)对样品表征,并对纳秒激光辐照硅的热力学过程进行分析。结果显示:当脉冲激光的能量密度接近硅的熔融阈值且光斑直径小于8μm时,形成尖峰微结构;随着能量密度或光斑面积增大,尖峰结构消失,形成边缘隆起和弹坑微结构。通过流体动力学模型得到微结构形貌的解析解,模拟得到的微结构形貌与实验测得的AFM数据一致。研究表明微结构的形成主要是由于表面张力引起的熔融硅流动。表面张力与表面温度和表面活性剂的质量浓度有关。温度梯度引起的热毛细流作用和表面活性剂浓度引起的毛细作用共同影响下形成尖峰、边缘隆起和弹坑微结构。     

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.     

飞秒激光烧蚀硅表面产生微纳结构过程中激光脉冲数目的影响

为了研究飞秒激光脉冲数目与硅表面形貌之间的关系,在相同的SF6气体氛围下,改变照射硅表面的飞秒激光脉冲数,发现在飞秒激光照射下由硅表面形成的微型锥状尖峰的高度与飞秒激光脉冲数呈现一种非线性关系.通过对该关系的研究有利于找出在制造具有较高吸收效率的高微型锥状尖峰的"黑硅"的实验条件,有利于基于"黑硅"材料的光电器件转化效...     

化学淀积银膜上的吡啶表面增强喇曼散射效应——银膜结构的影响

本文考察了由化学淀积法制得的不同厚度银膜上吸附的吡啶产生的SERS效应。结果表明金属银膜层的几何结构对增强效应产生极大影响,且增强效应不仅取决于银颗粒的大小,而且还与它们的间隔有关。我们借用了Wirgin提出的波导共振理论对实验现象作了定性解释,计算结果与实验结果基本相符。     

BiOCl{001}表面原子与电子结构的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了BiOCl{001}的三种不同终端面({001}-1Cl, {001}-BiO 和{001}-2Cl)的表面弛豫、能带结构、电子态密度和表面能. 计算结果表明: {001}-1Cl, {001}-BiO和{001}-2Cl表面均发生明显弛豫, 而在双Cl原子层处的层间距变化较大, 但未出现振荡弛豫现象, 其中{001}-1Cl表面弛豫较小. 与体相BiOCl电子结构相比, BiOCl{001}面具有较窄的带隙宽度, 并呈现较强局域性:对于{001}-BiO表面, 其导带与价带均往低能方向发生较大移动, 并且在导带底部出现表面态; 而{001}-2Cl表面的表面态主要出现在价带顶; {001}-1Cl表面的带隙中则无表面态产生; 表面态的出现导致{001}-BiO面和{001}-2Cl面带隙明显减小. BiOCl{001}三种终端表面的表面能分析结果表明, {001}-1Cl表面的表面能最小(0.09206 J·m^-2), 结构最稳定, 而{001}-BiO表面和{001}-2Cl表面的表面能分别为2.392和2.461 J·m^-2. 理论预测{001}-BiO表面和{001}-2Cl表面具有较高的活性, 但在BiOCl晶体生长过程中不易暴露. 本文计算结果为实验获得BiOCl高活性面{001}给予了基础理论解释, 进一步为BiOCl新型光催化材料的应用研究提供理论指导. 关键词： BiOCl{001}表面 表面弛豫 表面能 第一性原理     

Fractal Roughness Retrieval by Integrated Wavelet Transform

An integrated-wavelet-transform (IWT) approach is proposed for the study of scattering from slightly rough surfaces that manifest scaling properties over a finite domain of correlation lengths. Instead of collecting angle-resolved intensities, values of the irradiance integrated over increasing areas are used to enhance the contributions of small irradiances at large scattering angles and to reduce the coherent noise. In the case of self-similar surfaces, the scaling behavior of IWT allows investigation of the surface roughness at various length scales. For the realistic case of self-affine surfaces, IWT permits the evaluation of the scaling exponent of the autocorrelation and also offers a direct way to evaluate the necessary length scale of the surface profile.     

Surface plasmon dispersion relation for spherical metal particles

Using the hydrodynamical model, we have obtained the surface plasmon dispersion relation for spherical metallic particles in the following two cases: (1) a sharp surface cut off in electron density and (2) a diffused electron density at the surface. The diffused density is modelled with a step function. The diffuse nature of the electron density at surface of the metal particle is necessary to understand the experimental result for particles with small radii. Shift in the absorption frequency is estimated and found to be small.     

膨胀着的球面的相对论变换

分析了膨胀着的球面的相对论变换.     

Apparent and real roughness

Some works have studied the light scattering from a rough surface immersed in a liquid, where the light scattered from the immersed rough surface was assumed to be equivalent to that scattered from a fictitious rough surface with a different texture. This work deals with this kind of problems analyzing the light scattered by a reflecting strong scatterer and the light scattered by a rough surface immersed in a transparent liquid. The general Kirchhoff solution for scattering from a rough surface has been used.It is shown that under certain conditions, the mean scattered intensity (MSI) from a surface immersed in a liquid can be quasi-indistinguishable from that scattered from a non-immersed surface with an “equivalent texture”. An expression relating the equivalent texture and the immersed surface texture was obtained.The results of this work allow to evaluate the characteristics of any surface immersed in a liquid with a known refractive index.     

Lagrangian surfaces in the complex hyperquadric Q2

In this paper, we introduce a one-form $\Phi$ associated to a Lagrangian immersion $f$ from Riemann surface $M$ into the complex hyperquadric $Q_2$. It is proved that $f$ is minimal if and only if $\Phi$ is vanishing and $f$ is H-minimal if and only if $\Phi$ is holomorphic. As an application, a family of $S^1$-equivariant minimal Lagrangian tori in $Q_2$ are obtained.     

关于"毛细现象的能量来源"的表面热力学讨论

对《大学物理》１９９４年第１２期所刊登的“毛细现象的能量来源”一从表面热力角度进行详细讨论。     

The dynamic angle-limited integrated scattering (DALIS) method for measuring scattering of light from optical surfaces with random roughness

A new and simple dynamic angle limited integrated scattering (DALIS) method is developed to examine optically smooth reflective surfaces with defined surface form. Our experimental results from two systems show advantages over conventional angle resolved scattering measurement (ARS) methods. By collecting scattered light in a given solid angle, our methods do not require a detection unit with an extremely large dynamic range. Unlike in the common ARS measurement method, here we use a simple linear translation stage to scan scattered light. The power spectrum density function and the autocorrelation function of the surface roughness can be recovered from the measured scattering pattern. This method can be applied to in-workshop inspection of optical polishing processes.     

有机分子隔离层对机械抛光金属银表面的罗丹明6G荧光增强效应的影响

采用物理吸附法,在机械抛光纯银表面引入对巯基苯胺(p-Amiothiophenol,PATP)分子充当隔离层,运用激光光谱学方法研究隔离层对位于银表面附近的罗丹明6G(Rh6G)分子的荧光增强效应影响。实验结果表明,未经PATP分子修饰的机械抛光金属衬底对Rh6G分子表现为猝灭效应,而经过PATP分子修饰后的银表面对Rh6G分子的荧光发射具有增强效应。根据局域表面等离子共振及辐射能量转移模型对实验观测所得结果进行了分析研究,结果表明,PATP有机分子隔离层的引入有效地减小了荧光分子与金属衬底之间的无辐射能量速率,提高了荧光辐射强度。