超短激光脉冲表面微构造硅及其光电性质的研究

摘要

在一定环境气体氛围下，用超短激光脉冲照射硅片表面，会在硅表面产生准规则排列的锥形尖峰结构。这些锥形尖峰结构的尺度和间距都在微米量级。经过表面微构造的硅材料，光吸收效率显著提高，尤其是在红外波段，光吸收的增强更为明显。对这一现象的研究，不仅是激光与物质相互作用的基本课题，也具有巨大的潜在应用价值，具有重大的理论意义和现实意义。
　　 建立了利用超短激光脉冲对硅表面进行微构造的实验装置，对硅表面微结构的形成及其光吸收性质进行了系统的研究。结果表明，激光通量和环境气体对表面微观结构的形成起着决定性的作用。只有在SF6气体氛围下，才能形成尖锐的锥形尖峰结构。尖峰的高度和间距都随着激光通量的增加而增大。
　　 研究了不同激光通量，SF6和N2氛围条件下制备的、具有不同峰高的表面微构造硅材料的光吸收性质，结果表明表面微构造硅材料在0.3～16.7μm波长范围内的光吸收率显著提高。SF6氛围下制备的表面微构造硅材料的光吸收率在整个测量波段范围内可保持在80％以上；N2氛围下制备的表面微构造硅材料在0.3～1.1μm和9～14μm波段的光吸收率可保持在80％以上，但是在3～7μm处形成一个低吸收带。表面微构造硅这种极好的光吸收特性使其在高效硅太阳能电池、全波段光探测器、激光功率计、光通信和遥感等领域具有巨大的潜在应用价值。
　　 鉴于表面微构造硅具有增强的光吸收特性，且其表面具有微结构形貌，在其表面蒸镀了一层金属薄膜，借以研究具有复杂微结构的金属薄膜的光吸收性质。
　　 在对表面微构造硅进行光学测量的基础上，制作了基于表面微构造硅这一新材料的太阳能光伏原型器件，对其光伏性质进行了研究。在He-Ne激光器632.8nm谱线的照射下，该器件分别产生了0.11mA的短路电流和53.3 mV的开路电压。对应的材料外量子效率达到了112.9％。对于其外量子效率大于1这一反常现象我们也进行了分析，并准备展开进一步的实验工作进行验证。
　　 最后，研究了不同气体氛围下超短激光脉冲与金的相互作用，特别是在空气中的相互作用。实验发现超短激光脉冲与金的相互作用可以划分为高、中、低三个激光通量区域。在高通量区域，观察不到表面波的存在，只能看到颗粒以及颗粒团簇。在中等通量区域，可以观察到表面波结构的存在，其周期长度与飞秒激光脉冲的中心波长相当，均在亚微米量级，这与瑞利衍射条件的理论预期完全一致。在低通量区域，观察到反常的表面波结构，其周期长度在20μm以上，远远大于入射飞秒激光脉冲的中心波长，这是用瑞利衍射条件所无法解释的。反常表面波结构的形成，认为是应力释放或者多波长衍射的结果。对于不同的环境气体，关于高、中、低三个通量区域的划分应有所不同，特别是像SF6这类具有强腐蚀性的气体，其每个区域的阈值都比空气、N2要低。