CN111229719A - 激光清洗辅助激光烧蚀制备多尺度微纳米复合结构的方法 - Google Patents

Abstract

一种激光清洗辅助激光烧蚀制备多尺度微纳米复合结构的方法，搭建光路，飞秒激光器输出光经过反射镜后进入扫描振镜，经过扫描振镜的圆透镜镜头聚焦后照射在载物台上，飞秒激光器、扫描振镜和电脑连接；设定激光烧蚀硅材料的参数，将单晶硅片样品固定在移动载物台上；电脑控制扫描振镜实现激光光斑交叉网格移动，激光烧蚀单晶硅片样品表面后得到覆盖有一层絮状氧化物沉积的网格状微米结构的表面；将扫描振镜的圆透镜镜头更换为柱面透镜镜头，得到椭圆形光斑；设定激光清洗硅氧化物沉积的参数，电脑控制扫描振镜实现激光光斑栅形移动，激光清洗网格状微米结构的表面，制备出多尺度微纳米复合结构；本发明操作简单，绿色环保，经济高效。

Description

激光清洗辅助激光烧蚀制备多尺度微纳米复合结构的方法

技术领域

本发明属于微纳米结构制备技术领域，特别涉及一种激光清洗辅助激光烧蚀制备多尺度微纳米复合结构的方法。

背景技术

硅基吸波材料在航空航天、国防军事、新能源等领域有着巨大的应用市场。在可见光波段可以做太阳能电池；在红外波段可以做光电检测器；在太赫兹波段可以用于做吸收体和辐射源。因此，利用超快激光加工技术，在硅材料表面制造出抗反射的结构，实现硅材料对电磁波的高效吸收，对人们的生产生活以及国防军事具有重要的意义。

已有研究表明，多尺度微纳复合结构不仅能够发挥微米结构和纳米结构的优势提升吸波效率，多层次特性还能够有效拓宽吸收的频谱范围，因此可以利用飞秒激光在硅材料表面制备多尺度微纳米结构来提高硅材料表面的宽频吸波性能。但是在空气中利用激光加工硅材料，激光烧蚀硅材料产生的烧蚀沉积粒子会被氧化成二氧化硅，从而其表面覆盖了一层絮状的氧化物，吸波特性大大降低。目前的解决方案都是在惰性气体环境中对硅进行激光加工，设备复杂，大大提高了加工成本，同时产生的废气造成了环境污染。因此，如何绿色高效的在硅材料表面制备多尺度微纳米复合结构提高材料表面的吸波性能成为亟需解决的难题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种激光清洗辅助激光烧蚀制备多尺度微纳米复合结构的方法，能够实现在空气中制备包含微米结构、亚微米结构和纳米结构的多尺度微纳米复合结构，提高材料表面的吸波性能，加工方法操作简单，绿色环保，经济高效。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种激光清洗辅助激光烧蚀制备多尺度微纳米复合结构的方法，包括以下步骤：

1)对单晶硅片样品表面分别用丙酮和无水酒精进行超声波清洗，利用冷风吹干得到干净的单晶硅片样品表面；

2)搭建光路，光路包括飞秒激光器，飞秒激光器输出光经过反射镜后进入扫描振镜，光经过扫描振镜的圆透镜镜头聚焦后照射在载物台上，飞秒激光器、扫描振镜和电脑连接，圆透镜镜头焦距为170mm，聚焦圆光斑的直径为30μm；

3)利用电脑调节飞秒激光器输出激光波长为1030nm，重频为50kHz，脉宽为240fs,激光功率为800mW；

4)将单晶硅片样品固定在移动载物台加工工位上；

5)利用电脑控制扫描振镜实现激光光斑交叉网格移动，移动间距为50μm，移动速度为5mm/s，激光烧蚀单晶硅片样品表面后即得到覆盖有一层絮状氧化物沉积的网格状微米结构的表面；

6)将扫描振镜的圆透镜镜头更换为柱面透镜镜头，采用焦距为75mm的柱面透镜镜头用于飞秒激光器输出的圆形光斑激光束的聚焦，得到椭圆形光斑，光斑的长轴尺寸半径为2mm，短轴尺寸半径为10μm；

7)利用电脑调节飞秒激光器输出激光波长为1030nm，重频为10kHz，脉宽为240fs,激光功率为60mW；

8)利用电脑控制扫描振镜实现激光光斑栅形移动，移动间距为10μm，移动速度为10mm/s，激光清洗覆盖有一层絮状氧化物沉积的网格状微米结构的表面，即制备出微米结构、亚微米结构和纳米结构的多尺度微纳米复合结构。

本发明的有益效果为：本发明提出了激光清洗辅助激光烧蚀在空气中制备多尺度微纳米结构的方法，利用氧化硅沉积的激光烧蚀阈值小于硅材料的烧蚀阈值的特点，运用激光清洗机理，选取激光能量等于硅材料的烧蚀阈值，将激光烧蚀制备的覆盖在硅微米结构表面的氧化物沉积清洗去除掉，同时激光清洗还可以在微米结构的表面诱导出亚微米和纳米结构，从而制备出多尺度微纳米复合结构，提高材料表面的吸波性能。本发明解决了传统激光加工硅表面避免硅被氧化，需要在保护性气体环境下加工的问题，方法绿色经济，方便可行。

附图说明

图1为本发明飞秒激光加工的示意图。

图2为本发明实施例1激光烧蚀制备的覆盖有氧化物沉积的网格微纳米结构结果图。

图3为本发明柱面透镜镜头的示意图。

图4为本发明实施例1激光清洗后制备的多尺度微纳米复合结构的结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种激光清洗辅助激光烧蚀制备多尺度微纳米复合结构的方法，包括以下步骤：

1)对单晶硅片样品7表面分别用丙酮和无水酒精进行超声波清洗，利用冷风吹干得到干净的单晶硅片样品表面；

2)搭建光路，参照图1，光路包括飞秒激光器1，飞秒激光器1输出光经过第一反射镜2、第二反射镜3、第三反射镜4后进入扫描振镜5，光经过扫描振镜5的圆透镜镜头6聚焦后照射在载物台8上，飞秒激光器1、扫描振镜5和电脑连接，圆透镜镜头6焦距为170mm，聚焦圆光斑的直径为30μm；

3)利用电脑调节飞秒激光器1输出激光波长为1030nm，重频为50kHz，脉宽为240fs,激光功率为800mW；

4)将单晶硅片样品7固定在移动载物台8加工工位上；

5)利用电脑控制扫描振镜5实现激光光斑交叉网格移动，移动间距为50μm，移动速度为5mm/s，激光烧蚀单晶硅片样品7表面后,即得到覆盖有一层絮状氧化物沉积的网格状微米结构的表面，如图2所示，从图2可以看出表面制备出了规则的方形网格微米尺寸的结构，微结构的四周存在着大深刻比的微槽，同时微结构表面上覆盖有一层絮状纳米尺度的氧化物沉积；

6)将扫描振镜5的圆透镜镜头6更换为柱面透镜镜头9，如图3所示，采用焦距为75mm的柱面透镜镜头9用于飞秒激光器1输出的圆形光斑激光束的聚焦，得到椭圆形光斑，光斑的长轴尺寸半径为4mm，短轴尺寸半径为10μm；

7)利用电脑调节飞秒激光器1输出激光波长为1030nm，重频为10kHz，脉宽为240fs,激光功率为80mW；

8)利用电脑控制扫描振镜5实现激光光斑栅形移动，移动间距为10μm，移动速度为10mm/s，激光清洗覆盖有一层絮状氧化物沉积的网格状微米结构的表面，即制备出微米结构、亚微米结构和纳米结构的多尺度微纳米复合结构，如图4所示，从图4可以看出方形网格微米结构表面的絮状氧化物沉积已经被去除，材料表面制备出了微米尺度的方形网格结构，微米尺度的槽型结构，亚微米尺度的孔型和凸起结构，以及纳米尺度空隙和颗粒，多尺度微纳米复合结构在材料表面形成。

Claims (1)

1.一种激光清洗辅助激光烧蚀制备多尺度微纳米复合结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对单晶硅片样品表面分别用丙酮和无水酒精进行超声波清洗，利用冷风吹干得到干净的单晶硅片样品表面；

2)搭建光路，光路包括飞秒激光器，飞秒激光器输出光经过反射镜后进入扫描振镜，光经过扫描振镜的圆透镜镜头聚焦后照射在载物台上，飞秒激光器、扫描振镜和电脑连接，圆透镜镜头焦距为170mm，聚焦圆光斑的直径为30μm；

3)利用电脑调节飞秒激光器输出激光波长为1030nm，重频为50kHz，脉宽为240fs,激光功率为800mW；

4)将单晶硅片样品固定在移动载物台加工工位上；

5)利用电脑控制扫描振镜实现激光光斑交叉网格移动，移动间距为50μm，移动速度为5mm/s，激光烧蚀单晶硅片样品表面后即得到覆盖有一层絮状氧化物沉积的网格状微米结构的表面；

6)将扫描振镜的圆透镜镜头更换为柱面透镜镜头，采用焦距为75mm的柱面透镜镜头用于飞秒激光器输出的圆形光斑激光束的聚焦，得到椭圆形光斑，光斑的长轴尺寸半径为2mm，短轴尺寸半径为10μm；

7)利用电脑调节飞秒激光器输出激光波长为1030nm，重频为10kHz，脉宽为240fs,激光功率为60mW；

8)利用电脑控制扫描振镜实现激光光斑栅形移动，移动间距为10μm，移动速度为10mm/s，激光清洗覆盖有一层絮状氧化物沉积的网格状微米结构的表面，即制备出微米结构、亚微米结构和纳米结构的多尺度微纳米复合结构。

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