基于二氧化硅薄膜的纳秒激光刻蚀亚波长条纹的研究

摘要

随着器件小型化的发展，纳米制造技术得到广泛的应用。传统用于微机械加工的制造技术已经不能满足光电子技术进一步发展的需求。激光诱导纳米制造技术凭借其高加工精度、高加工速度、环保等优点备受人们的关注。随着飞秒激光技术的广泛应用，在飞秒激光烧蚀坑边缘观察到一种周期远小于激光波长的条纹结构，实现了纳微器件的更小型化的发展。但众多研究表明亚波长条纹的出现只限于飞秒和皮秒，纳秒激光刻蚀以烧蚀为主，不能形成亚波长条纹结构。近期有研究发现纳秒激光刻蚀也能形成亚波长条纹，这是激光制备纳微器件技术的一大进步，对当前的科研和实际的纳微器件的生产和应用具有一定的借鉴意义。
　　本论文在前人基础上做进一步研究。采用溶胶-凝胶法和垂直沉积法制备SiO2颗粒堆积膜。改变氨水和水的用量及添加N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，研究其对薄膜结构的影响。然后采用波长1064nm，脉宽12ns的ND∶YAG激光器在多个能量密度下进行刻蚀。激光入射角为0度，脉冲辐照次数为1。总结膜结构及纳秒激光参数对亚波长条纹的形成及影响。
　　研究发现:随着氨水及水量的增加，纳米颗粒尺寸增加。但颗粒尺寸增加到一定程度时，溶胶不稳定，粘度不足以镀膜。加入N，N-二甲基甲酰胺(DMF)后，虽能改善膜层开裂情况，但薄膜颗粒尺寸变小，薄膜向无规则网络状转变，不利于纳秒激光刻蚀亚波长实验，所以不予采用。当激光波长为1064nm，脉冲宽度为12ns时，激光刻蚀的亚波长条纹出现在损伤斑的中心，这些周期性条纹大约0.5λ，且这些条纹有相同的周期，明显小于激光波长，而且这些周期性条纹都垂直于激光辐照的偏振方向且近似于纳米光栅结构。纳秒激光刻蚀亚波长条纹结构的激光脉冲能量密度宽泛;脉冲能量密度越大，刻蚀出条纹周期越大;条纹结构与颗粒结构没有明显关系。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的目的和意义

1．2 单分散SiO2纳微颗粒

1．2．1 单分散SiO2微球的制备

1．2．2 SiO2溶胶的结构和特性

1．2．3 工艺条件的影响

1．3 SiO2纳米粒子结构薄膜

1．3．1 无序SiO2膜制备

1．3．2 有序SiO2膜制备

1．3．3 SiO2纳米结构薄膜的应用

1．4 薄膜的激光损伤

1．4．1 薄膜材料的本征吸收

1．4．2 杂质、缺陷吸收

1．4．3 光学薄膜的激光损伤阈值的影响因素

1．5 激光刻蚀亚波长条纹

1．5．1 激光刻蚀亚波长条纹的实验进展

1．5．2 激光刻蚀亚波长条纹的理论进展

1．5．3 亚波长条纹的应用

1．6 本论文主要工作

第2章 实验及表征

2．1 实验原料及设备

2．2 二氧化硅薄膜的制备

2．2．1 溶胶的配制

2．2．2 玻璃片清洗

2．2．3 浸渍提拉镀膜

2．2．4 薄膜的干燥及热处理

2．2．5 溶胶的离心分离

2．2．6 自组装有序膜

2．3 薄膜的纳秒激光损伤实验

2．4 薄膜性能表征

2．4．1 溶胶pH的测定

2．4．2 粘度测定

2．4．3 SiO2溶胶的综合热分析

2．4．5 扫描电子显微镜(SEM)表征

第3章 实验结果及分析

3．1 溶胶热分析

3．2 工艺条件对提拉膜性能的影响

3．2．1 粘度的影响

3．2．2 pH的影响

3．2．3 水含量(N=H2O／TEOS)的影响

3．2．4 催化剂含量(R=NH3／TEOS)的影响

3．2．5 有机化学添加剂的影响

3．2．6 干燥及热处理工艺的影响

3．3 工艺条件对自组装膜的影响

3．3．1 单分散溶液浓度的影响

3．3．2 温度的影响

3．4 薄膜激光损伤及亚波长条纹的研究

3．4．1 颗粒尺寸与NH3含量关系

3．4．2 不同颗粒尺寸膜的阈值

3．4．3 亚波长条纹的研究

3．5 本章小结

第4章 结论

参考文献

致谢