一种在碱溶液中利用飞秒激光制备黑硅的方法

摘要

本发明提供一种在碱溶液中利用飞秒激光制备黑硅的方法，其包括以下步骤：步骤1，在温度为22±1℃的条件下，配制质量百分比为2wt％的碱溶液；步骤2，将抛光硅片放入步骤1配置的所述碱溶液；步骤3，用飞秒激光脉冲对所述碱溶液中放入的所述抛光硅片进行扫描处理，获得黑硅。本发明的在碱溶液中利用飞秒激光制备黑硅的方法不需要使用真空设备，节省了成本，而且避免了六氟化硫和硫化氢等含硫元素的危险气体产生。而且制备过程简单易操作，使用的是2wt％的碱溶液，浓度低、成本低廉，几乎不会对环境和人体产生危害，安全性高。

说明书

技术领域

本发明涉及工业技术领域，尤其涉及一种在碱溶液中利用飞秒激光制备 黑硅的方法。

背景技术

对单晶硅的表面进行适当的刻蚀或腐蚀，使其表面出现纳米尺度的结构 (常见的有尖峰结构、微洞结构和丛林状结构)，这些结构对可见光吸收很 高，即反射率很低，从而使处理后的硅片呈现黑色，称之为“黑硅”。黑硅 是一种新型的硅材料，具有优异的光电性质。与传统晶硅材料相比，黑硅材 料具有更强的光吸收能力，在250-2500nm的光谱范围内对光的吸收率达到近 90％，对可见光波段几乎是全部吸收，利用黑硅这种对光的强吸收，可以用作 太阳能电池。黑硅材料还具有很强的光敏性，尤其是在近红外和短波红外波 段，其光敏性是传统硅材料的百余倍，因此，利用黑硅的光敏性，可以用作 夜视仪和硅光探测领域。黑硅材料对光吸收的范围很广，可以吸收近紫外至 近红外波段范围内的光，利用黑硅的这种性质，可以使探测器克服不同波段 使用不同探测器的缺点，简化设备。此外，黑硅在医疗领域也有着巨大的应 用价值。

目前利用飞秒激光器制备黑硅的方法主要有以下几类：

1、在气体(如六氟化硫，空气，氯气，氧气，氮气等)条件中制备黑硅， 其表面呈现尖峰结构，对光有显著的减反作用；

2、在水中制备黑硅，其表面呈现珊瑚状结构，对光有一定的减反作用；

3、在硫酸中制备黑硅，其表面呈现尖峰结构，对光有显著的减反作用。

但是现有技术中上述三种制备黑硅的方法存在着各种各样的问题，如：

1、在气体条件中制备黑硅，需要真空设备，且设备昂贵。实验过程中会 有六氟化硫和硫化氢等含硫元素的危险气体产生。

2、水中制备黑硅不会产生尖峰结构，减反效果不显著。

3、在硫酸中制备黑硅可以产生尖峰结构，但硫酸是腐蚀性酸，会对人体 和环境产生危害。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种在碱溶液中利用飞秒激光制备黑 硅的方法，使用该方法制备黑硅成本低廉、过程简单、安全性高。

本发明的在碱溶液中利用飞秒激光制备黑硅的方法，其包括以下步骤：

步骤1，在温度为22±1℃的条件下，配制质量百分比为2wt％的碱溶液；

步骤2，将抛光硅片放入步骤1配置的所述碱溶液；

步骤3，用飞秒激光脉冲对所述碱溶液中放入的所述抛光硅片进行扫描处 理，获得黑硅。

进一步的，该方法还包括步骤4：

步骤4，利用扫描探针显微镜观察所述步骤3获得的黑硅的结构，通过改 变所述飞秒激光脉冲的单脉冲能量和扫描速度以及所述碱溶液的温度获得黑 硅。

进一步的，所述黑硅的表面呈现丛林状。

进一步的，所述飞秒激光脉冲由钛宝石飞秒激光再生放大器产生。

进一步的，所述碱溶液为在水中电离出的阴离子全部是氢氧根离子的物 质的水溶液。

本发明的有益效果在于：

本发明的在碱溶液中利用飞秒激光制备黑硅的方法不需要使用真空设 备，节省了成本，而且避免了六氟化硫和硫化氢等含硫元素的危险气体产生。

本发明的方法在制备过程简单易操作，使用的是2wt％的碱溶液，浓度低、 成本低廉，几乎不会对环境和人体产生危害，安全性高。

附图说明

图1为本发明的在碱溶液中利用飞秒激光制备黑硅的方法流程图。

具体实施方式

图1为本发明的在碱溶液中利用飞秒激光制备黑硅的方法流程图。如图1 所示，本发明的在碱溶液中利用飞秒激光制备黑硅的方法，其包括以下步骤：

步骤1，在温度为22±1℃的条件下，配制质量百分比为2wt％的碱溶液；

步骤2，将抛光硅片放入步骤1配置的所述碱溶液；

步骤3，用飞秒激光脉冲对所述碱溶液中放入的所述抛光硅片进行扫描处 理，获得黑硅。

进一步的，该方法还包括步骤4：

步骤4，利用扫描探针显微镜观察所述步骤3获得的黑硅的结构，通过改 变所述飞秒激光脉冲的单脉冲能量和扫描速度以及所述碱溶液的温度获得黑 硅。

进一步的，所述黑硅的表面呈现丛林状。

进一步的，所述飞秒激光脉冲由钛宝石飞秒激光再生放大器产生。

该钛宝石飞秒激光再生放大器的中心波长为800nm、脉冲宽度60fs、重 复频率1kHz、最大平均功率3W。激光能量分别为40uJ，60uJ，80uJ，100uJ， 扫描速度分别为0.1mm/s,0.5mm/s,1.0mm/s。

进一步的，所述碱溶液为在水中电离出的阴离子全部是氢氧根离子的物 质的水溶液。

碱溶液包括氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、氢氧化钙或氨等在水中电 离出的阴离子全部是氢氧根离子的物质的水溶液。

在室温(22±1℃)的条件下，配制2wt％的NaOH溶液，将抛光硅片放 入碱溶液中，然后用飞秒激光脉冲对碱溶液中的硅片进行扫描处理。在扫描 探针显微镜下，可观察到黑硅表面呈现丛林状。过程中改变激光单脉冲能量 和扫描速度和溶液的温度，得到最佳的搭配参数，使制得的黑硅样品反射率 最低。在碱溶液中利用飞秒激光制备黑硅，改变相关参数也可制得黑硅。

惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，举凡熟悉此项技艺的专 业人士。在了解本发明的技术手段之后，自然能依据实际的需要，在本发明 的教导下加以变化。因此凡依本发明申请专利范围所作的同等变化与修饰， 都应仍属本发明专利涵盖的范围内。