低能离子束诱导晶体表面纳米自组织结构及光学性能

摘要

低能离子束溅射/刻蚀固体表面形成自组织纳米微结构,是一种高效、简便、低成本制造大面积有序纳米结构的方法。该方法具有加工精度高、改变离子束参数可实现纳米微结构的尺寸控制、易于实现自动化等特点。因此,低能离子束刻蚀晶体表面形成自组织纳米结构近年来一直是学术界研究的热点。本文针对单晶硅和蓝宝石材料,研究了不同离子束参数刻蚀形成规则自组织纳米微结构的关键技术,所取得主要研究成果是:
　　1.对离子束刻蚀形成纳米微结构的理论模型进行了分析和仿真。分析了基于sigmund溅射理论的 BH模型和 MCB模型,通过引入离子束诱导项和非线性项,MCB模型对 BH模型不能解释的低温下纳米结构形成及长时间刻蚀饱和的不足进行了改进。本文针对 MCB模型进行了详细的分析和仿真,建立了刻蚀项、分散项和扩散项与离子束参数的关系,阐释了纳米自组织结构的形成原因及演变过程。
　　2.建立了样品旋转时自组织纳米点状结构形成的数学模型,确定了不定形层热扩散是单晶硅主要扩散机制,获得了单晶硅的纳米微结构。研究发现:当离子束能量1000eV、束流密度2652??cm A?、样品不旋转时,离子束小角度(5??40?)刻蚀单晶硅表面可获得条纹状纳米结构;增大入射角度(40??50?),样品表面趋于光滑;继续增大入射角度到65?以后样品表面出现柱状纳米结构。而当样品旋转时,在相同离子束参数作用下,在较小离子入射角度(5??40?)和较大入射角度(65?85?)都可获得纳米点状结构,尺度约为50?85纳米,实验结果验证了模型的正确性。
　　3.获得了蓝宝石纳米结构,针对蓝宝石晶体结构,提出了3+1维数学模型,揭示了离子束刻蚀下蓝宝石表面形貌的演变规律;确定了离子束诱导扩散是蓝宝石表面主要的扩散机理。利用 Ar+离子束刻蚀蓝宝石,在离子束能量1200eV、束流密度2652??cm A?、样品不旋转下,在5??20?和35??45?时,形成了纵向尺度较小的点状纳米结构,有序性较差;在30?附近,样品表面趋于光滑,增大入射角度到45?,样品表面出现有序的条纹结构,条纹方向与离子束方向垂直,继续增大离子束入射角度,在离子束入射方向出现柱状结构,垂直于离子束方向仍保持规则的有序条纹状结构,且样品表面粗糙度迅速增大。不同于单晶硅,离子束能量在蓝宝石中分布各向异性,蓝宝石表面弛豫主要是离子束诱导机制,利用建立的数学模型对刻蚀结果进行了仿真与分析。
　　4.建立了 Ar+离子束能量与刻蚀后蓝宝石表面形貌的关系,揭示了不同表面形貌形成的机理。研究发现相同角度,不同能量刻蚀后蓝宝石样品表面也会出现多种纳米结构。在入射角度65?、能量较小(600?750eV)时,样品表面出现点状结构,增加能量到900eV,样品表面出现规则的条纹状结构,继续增大能量,样品在离子束入射方向出现柱状结构,垂直方向为有序条纹状结构。渗透深度及能量各向异性分布是纳米结构形貌演变的主要因素。
　　5.提出了使用离子束刻蚀形成的有序纳米结构提高样品透过率的方法。在1100nm?2000nm波长范围内,利用 Ar+刻蚀单晶硅,当离子束能量1000eV、束流密度2652??cm A?,在入射角度15?、样品不旋转时,表面形成的规则条纹结构可使透过率提高约8％;而在入射角度65?、样品旋转时,形成的规则点状结构,可使透射率提高约15%;透过率随纳米结构的有序性及纵向尺寸的增大而提高。引入等效折射率理论解释了样品表面减反射的现象。
　　6.研究了刻蚀时间对单晶硅和蓝宝石刻蚀的影响规律。结果发现增加刻蚀时间,纳米结构形貌未发生变化,但纳米结构纵向尺度增大,有序性增强,长时间刻蚀后趋于饱和,此时模型非线性项起主要作用。

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第一章 绪论

1.1 纳米结构

1.2 有序纳米结构的制备

1.3 离子束刻蚀技术研究进展

1.4 本文的研究内容及作者的主要工作

第二章 低能离子束刻蚀理论模型与仿真分析

2.1 几种离子束刻蚀理论模型

2.2 基于 Sigmund 理论的波纹形成模型

2.3 MCB 生长方程的线性理论分析

2.4 非线性理论

2.5 小结

第三章 自组织纳米结构制备与特性表征

3.1 自组织纳米结构制备

3.2 自组织纳米结构特性表征

3.3 数据分析与处理

3.4 小结

第四章 低能离子束刻蚀单晶硅实验及结果分析

4.1 样品的制备

4.2 不同离子束角度参数实验结果与分析

4.3 离子束流参数实验结果与分析

4.4 离子束入射能量实验结果与分析

4.5 离子束刻蚀时间实验结果与分析

4.6 分析讨论

4.7 小结

第五章蓝宝石自组织纳米结构的制备与表征

5.1 样品制备

5.2 不同离子束参数的研究与结果分析

5.3 纳米结构的光学性能

5.4 分析讨论

5.5 小结

第六章 结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果