[发明专利]一种宽带隙晶体材料表面微纳结构的制备方法

说明书

本发明公开了一种宽带隙晶体材料表面微纳结构的制备方法。将选取的宽带隙晶体材料清洗干净后置于加工腔内，加工腔内可以是真空(真空度为10^‑2‑10^‑5Pa)也可以通入一定气压(＜1bar)的气体，气体可以为六氟化硫、氯气等刻蚀性气体，也可以为氮气、氦气、氩气甚至空气等非刻蚀性气体。然后对样品进行加热(温度范围20～1500℃)，并利用超短脉冲激光(波长可以为紫外至近红外，脉宽可以为5fs‑5000fs，超短脉冲激光的通量范围为1kJ/m²‑100kJ/m²)辐照样品表面制备微纳结构。本发明解决了常温下宽带隙晶体材料在受到超短脉冲激光辐照时引起的库仑爆炸问题，实现了宽带隙材料表面微纳结构的制备，而且能够通过控制入射激光能量和辐照时间的方法，控制微纳结构的大小。

技术领域

本发明涉及材料加工领域，特别涉及一种激光加工宽带隙晶体材料，并能够实现材料表面加工微纳结构的方法。该方法可以应用到超短脉冲激光加工领域、纳米材料加工领域、超衍射光学元器件制造领域、光电器件制造领域。

背景技术

由于超短脉冲激光具有峰值功率高、热效应小、加工精度高等独特优势，被广泛应用于材料加工领域。利用超短脉冲激光，在材料表面制备出了许多微米、纳米级的结构，例如表面周期性条纹、锥状结构、纳米颗粒等。现代研究表明超短脉冲激光诱导材料表面微纳结构能够改变材料的光学性质(反射、吸收、光致发光等)、电学性质(电导率，电致发光等)，以及亲水性或疏水性等等。

目前，公知的超短脉冲激光加工材料的方式都是在室温条件下进行的。对于金属和一些带隙较窄的半导体材料，在室温环境用超短脉冲激光加工材料足以实现预期效果，但是对于带隙较宽的半导体材料和电介质材料，在室温环境利用超短脉冲激光诱导材料表面形成周期性微纳结构则存在很大困难。这是因为，当超短脉冲激光辐照到材料表面时，电子的温度会在几个飞秒内急剧上升；当电子的动能超过电子的束缚能时，电子就会逃逸。电子逃逸后，会留下大量空穴，因此材料表面呈正电性。由于在室温环境下整个晶格处于紧束缚状态，且宽带隙材料的电导率很低，因此不可能通过材料内部电子和空穴的扩散来补偿表面，这会导致表面渐渐局域化。而且在局域化的小体积内，由于正电荷之间超强的库仑排斥力，会溅射出大量离子束，以此来中和材料表面的正电荷。此时，材料表面由于大量材料溅射出去于是会形成坑状结构，因而不能实现超短脉冲激光在宽带隙晶体材料表面制备周期性微纳结构的设想。

许多研究人员都遇到了这样的困难。德国科特布斯勃兰登堡工业大学，J.Reif课题组，利用超短脉冲激光对Al₂O₃、NaCl、BaF₂等宽带隙晶体表面进行加工时，材料表面也发生了库仑爆炸现象。这种由于材料本身属性所引起的现象，会给材料加工和应用都会带来很大困难。因此，我们迫切地需要找到一种方法来实现在宽带隙晶体材料表面加工微纳结构的方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明人经过长期试验和研究，提出一种新的加工方式，这种加工方式能够改善现有的超短脉冲激光加工工艺在加工宽带隙晶体材料方面的不足，并解决材料特性所带来的困难，最终实现利用超短脉冲激光在宽带隙晶体材料表面制备微纳结构的构想。

依据本发明的技术方案，提出一种宽带隙晶体材料表面周期性微纳结构的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：选取宽带隙晶体材料，以超声或擦拭方式对材料表面进行清洗；

步骤2：将清洗干净的样品固定在样品托上，样品托被固定在三维移动平台上，即通过控制移动平台使样品在垂直于入射激光方向上的二维平面内任意移动；

步骤3：利用加热台对样品进行加热，使样品温度在20～1500℃范围内可调；

步骤4：在三维移动平台的控制窗口设定样品加工区域面积以及扫描速度；