飞秒激光改性硅材料的物理机理及其性质研究

马明毅

摘要本文主要研究飞秒激光改性硅材料，将飞秒激光的应用概况以及运行机理作为根本出发点，分别用分子动力学模型以及双温模型论述飞秒激光改性硅材料的物理机理。而通过直接观察硅纳米颗粒的外貌、发光谱、透射谱、反射谱和吸收谱等对飞秒激光改性硅材料的实际性质进行探究，以便能够帮助人们更好地了解和认知飞秒激光改性硅材料，从而将其灵活运用在各个领域当中。

关键词飞秒激光；改性；硅材料；物理机理；性质

随着激光的发明与广泛应用，人们逐渐感受到其自身具有的强大优势，譬如说具备较高的亮度、单色性以及方向性等，将其运用在科学研究、军事领域、通信领域等当中均起到了重要的帮助作用。而在硅材料改性当中飞秒激光具有精度高、速度快的重大优势，同时也使得改性后的硅材料可以具备良好的光电特性，并更好地运用在我国发光技术、能源技术等众多领域当中。因此本文将在此背景下，着重围绕飞秒激光改性硅材料的物理机理及其性质进行简要分析研究。

1飞秒激光的简要概述

1.1应用概况

伴随着我国科学技术水平的不断提高，飞秒激光技术也在各领域当中得到了广泛的实践与应用，并且在理论研究方面的价值也越来越高。在研究改性硅材料的物理机理及其性质方面，飞秒激光提供了一种全新的物理素材与研究方法。除了作为一种探测工具之外，飞秒激光同样也可以在短时间内迅速通过试件分辨探测出物理过程，并且在时间分辨技术的帮助下甚至可以看到许多人眼无法识别的物理现象及运动过程。不仅如此，在飞秒激光与改性材料相互作用当中也包含了大量的物理内容，譬如说非线性学、等离子体产生与演化等，而人们通过分析飞秒激光的物理作用及物理运动过程，也能够更加全面清晰地认知飞秒激光改性硅材料的物理机理及性质。

1.2运行机理

在飞秒激光的运行过程当中，锁模是飞秒激光实现脉冲的一项关键技术。具体来说，锁模技术也可以被细分为被动锁模和主动锁模。飞秒激光器通过这两种不同的鎖模形式可以有效输出飞秒脉冲序列，但在输出过程中，鉴于飞秒脉冲能量不大，因此为了能够有效增大飞秒脉激光脉冲的能量，往往会选择采用调速再生放大技术。而在飞秒脉冲转化能量的过程当中，考虑到增益介质的损伤阀值，为了能够有效降低实际峰值的运行功率，通常情况下会采用光栅对将短脉冲展宽，再通过增益介质适当增大飞秒脉冲的实际运行能量，进而通过光栅对将宽脉冲压窄，最终获得具有更高能量的飞秒激光脉冲。

2飞秒激光改性硅材料的物理机理

2.1分子动力学模型

使用分子动力学模型能够在微观动力学的角度，对飞秒激光刻蚀硅材料的过程进行仿真模拟，而在此过程当中主要包括气化、同质成核、光致机械碎裂3种不同的激励。在迅速沉积的作用机制影响下，飞秒激光能量会在短时间内引起局部膨胀，并在其内部将会产生一种巨大的集中应力，进而使得机械发生碎裂。通过使用分子动力学模型，并集合原子动力学、载流子动力学等分析飞秒脉冲的激光刻蚀改性硅材料，我们可以观察到在硅材料的表面，出现了一种完全不同于爆炸式沸腾现象的飞秒激光刻蚀作用下产生的快速热膨胀物理现象以及等容升温现象，而是产生了一种非绝缘热膨胀物理现象。也就是说受到飞秒激光刻蚀作用的影响，硅材料高温金属性液体将会发生破裂。因此，我们也可以认为飞秒激光改性硅材料的表面出现迅速非绝缘的热膨胀是其发生相爆炸的重要作用条件，其膨胀时间要远远早于热扩散开始时间。因此在短时间内硅材料表面受到持续飞秒脉冲激光作用，将会使得内部体积迅速膨胀；而当硅材料当中沉积的能量无法充分释放时将会爆炸。

2.2双温模型

在飞秒激光辐射硅材料表面之后，会在亚皮秒时间刻度内使得硅材料的表面电子以及晶格温度处于一种非静态的失衡状态。因此，一旦需要分析计算硅材料表面的瞬态热力学作用机制过程，就需要认真考虑硅材料的晶格以及电子。而美国物理学家于20世纪80年代，在线性迁移理论的指导下通过自制自洽模型，分析研究了硅材料表面在飞秒激光脉冲作用下，表面的高浓度等离子动力学过程，而在此过程中物理学家发现粒子束平衡理论在描述和反映飞秒激光改性硅材料物理机理方面具有较好的精准性。实验证明在530mm的飞秒激光脉冲下在作用时间段内，硅材料的晶体格与等离子体之间一直处于一种空间不均匀的冷平衡运动状态；而在1060mm的飞秒激光脉冲下，虽然硅材料的初始吸收率并不大，但其载流子温宿和浓度却仍然无法达到预期的高数值，由此我们可以看出自由载离子和双光子吸收在飞秒激光改性硅材料的物理机理当中具有重要地位。

3飞秒激光改性硅材料的性质

本文使用石英玻璃基底在飞秒激光沉积下，会通过沉积纳米粒组成薄膜，然后使用微构造和单晶硅靶材沉积硅纳米粒的薄膜，进而研究飞秒激光改性硅材料的性质。

3.1硅纳米颗粒外貌

通过研究我们可以得知，在石英玻璃基底下沉积的硅纳米颗粒其实际粒径大概在数十到数百纳米之间，并且经过截然不同的团聚作用后，小纳米颗粒将会变大。而使用微构造硅靶材料沉积制备的薄膜中有着更多的小颗粒，与此同时硅材料表面具有较高的空隙率，在退火之后表面的纳米颗粒会出现再融合现象，因此我们有理由认为硅材料当中的大纳米颗粒实际变化情况，与其表面的致密程度之间有着紧密的联系。

3.2透射谱、反射谱、吸收谱

从分析透射谱、反射谱、吸收谱的结果可以得知，尚未经过退火的纳米颗粒薄膜表现出良好的可见光减少反射效应；而经过退火的纳米颗粒薄膜反而对可见光的反射效率出现上升趋势，减反效应却在逐渐减小。此时此刻退火样品的反射谱峰将完全取决于硅材料表面的纳米颗粒直径。值得注意的是，单晶硅材料的纳米颗粒薄膜，在波段为1150nm的微构造硅纳米颗粒薄膜当中表现出强烈的吸附性。

3.3发光谱

纳米颗粒薄膜的光学性质往往会受到表面孔隙、颗粒尺寸等的影响，而通过分析样品材料的发光谱我们可以发现，其中有一条连续谱光纤，并且飞秒激光的衰减变快速度非常快。这一变化速度同泵浦光的仪器响应函数、光致发光衰减曲线之间有着紧密的线性关系，由此我们也可以推断出硅纳米材料具有强烈的非线性。而这也恰恰是产生超连续谱的重要影响因素，对该光致发光超连续谱产生的阂值有明显降低作用。

4结论

总而言之，本文通过利用分子动力学模型和双温模型对飞秒激光改性硅材料的物理机理进行简单介绍，了解到不同的模型研究侧重点也各不相同，但二者均可以在一定程度上准确反映和模拟出飞秒激光改性硅材料的作用机理，以及材料表面电子温度、浓度等时空分布情况，因此二者均具有较好的实践研究意义。不仅如此，通过认真观察分析硅纳米颗粒的外貌、发光谱、反射谱等我们也可以准确得知飞秒激光改性硅材料具有强烈的非线性、吸附性等性质。但由于时间和条件限制，本研究还存在一定的不足，希望在将来的工作中可以继续改进。endprint