通过聚焦光束激光的不对称重叠实现自组装硅纳米柱阵列的均匀生长

《Optics & Laser Technology》：Homogeneous growth of self-assembled Si nanopillar array via an asymmetric overlap of a spot beam laser

　　

# 摘要

采用高斯光束对硅薄膜进行纳秒紫外（UV）激光辐照，研究从激光诱导周期性表面结构（LIPSS）向纳米柱形成的转变。单脉冲辐照产生同心圆状改性区域，根据局部能量密度从弱熔化到完全纳米粒子覆盖和烧蚀不等。在多脉冲一维（1D）扫描下，通过改性直径的演化来量化累积效应，从而确定累积校正阈值能量密度 $F_{th}$ 和波纹稳定性的上限能量密度 $F_r$。通过将这两个阈值与有效改性宽度的解析表达式相结合，我们推导出用于区分重叠高斯光斑下单条和双条纳米粒子波纹区域的条件。二维（2D）栅格扫描表明，仅在受限的能量密度窗口内以及最佳累积能量密度 $F_{acc}=16\text{-}17\,\mathrm{J/cm^2}$ 时，才能形成清晰定义的波纹和垂直对齐的纳米柱。更高的累积能量密度会导致过度熔化和不规则形貌。这些结果表明，非对称的2D扫描——即先通过初始1D x扫描形成均匀的波纹种子，再通过y方向位移实现受控的顺序生长——可实现使用工业相关的纳秒激光处理工艺对均匀硅纳米柱的确定性、大面积制备。

# 引言

当激光束多次照射材料时，表面会形成周期性表面结构，称为激光诱导周期性表面结构（LIPSS）[1], [2], [3], [4], [5]。LIPSS已在金属、半导体、介质和聚合物上被报道，其特性强烈依赖于激光参数和材料性质[6], [7], [8], [9], [10], [11]。其形成机制广泛使用的理论框架是入射激光场与表面电磁波（包括表面等离激元极化激元）之间的干涉，产生空间调制的光吸收分布，经过反复照射后形成周期性形貌[1], [3], [4], [5]。其他机制如自组织和热驱动的熔融流动也可能有所贡献，尤其是在高脉冲数和接近损伤阈值时，各机制的相对贡献仍是正在研究的课题[10], [11], [12], [13]。

LIPSS的周期、取向和振幅受激光参数（如波长、偏振、入射角、峰值能量密度和光束轮廓）以及脉冲数（或累积能量密度）控制[5], [14], [15], [16]。在许多金属和半导体上，这些结构倾向于垂直于激光偏振方向取向。随着脉冲数增加，累积效应和反馈效应变得重要，因为每个脉冲与已被修改的表面相互作用，形貌可能演变为尖刺、沟槽，甚至完全烧蚀[17], [18], [19], [20]。纳秒紫外激光因其高平均功率、低成本以及与标准薄膜制备工艺的兼容性而特别适用于工业LIPSS应用。然而，较长的脉冲持续时间导致显著的热扩散贯穿整个薄膜厚度，缩小了稳定表面改性与薄膜从底层基底剥落之间的有效工艺窗口。鉴于此热学限制，在纳秒时域下硅薄膜上形成有序、均匀纳米结构的精确条件尚未完全确立。

因此，在大面积上获得无缺陷的LIPSS需要同时控制局部单光斑能量密度和累积能量密度分布。这可以通过扫描具有受控脉冲重叠和过扫描的高斯光斑来实现，以将局部剂量维持在上下阈值之间的狭窄能量密度窗口内[21], [22], [23], [24]。在此窗口之外，低剂量时表面几乎不变，而在高剂量时则主导于熔化、团聚或烧蚀[21], [22], [23], [24]。

最近，Mezera等人[25]和Eichst?dt等人[26]表明，这些阈值结合高斯重叠，可利用有效脉冲数和累积定律为硅的均匀LIPSS建立工艺图和解析判据。类似的累积能量密度概念也被应用于金属薄膜和氧化物薄膜，其中累积效应和热力学限制进一步缩小了可用工艺窗口[21], [27]。然而，空间均匀的累积能量密度本身并不能保证均匀的形貌，因为表面的光学响应通过反馈动态变化：平坦区域的镜面反射、粗糙或烧蚀区域的散射以及周期性纹理处的共振耦合，都会随表面演化而改变局部吸收[28], [29], [30]。因此，针对特定、均匀表面纹理的加工策略必须同时考虑剂量分布和多脉冲辐照过程中的形貌依赖吸收。据我们所知，然而，一种整合这些考虑因素的统一工艺窗口模型尚未针对纳秒紫外激光在2D扫描条件下处理硅薄膜的情况建立。

与传统的对称扫描不同，我们采用非对称扫描，将形成种子的x扫描与促进生长的y方向位移解耦。因此，我们提出了一种用于均匀LIPSS形成的二维（2D）高斯光束扫描方案，由初始的x轴扫描（$\Delta x$）产生LIPSS种子，随后依次进行y轴扫描（$\Delta y$）以促进其均匀生长为连续结构。通过在非晶硅（a-Si）薄膜上引入非对称光斑重叠（$\Delta x \neq \Delta y$），对于给定的激光能量密度可以形成均匀的表面纹理。在此框架中，$\Delta x$ 和 $\Delta y$ 决定了单位面积内的局部脉冲数，从而决定了累积能量密度，通过优化最大能量密度、脉冲间步长（$\Delta x$, $\Delta y$）和总累积能量密度可获得均匀的表面纹理。所得LIPSS的形貌和均匀性通过光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）进行评估。OM用于通过颜色对比绘制改性区域的空间范围，而SEM提供纳米级形貌表征。还对SEM图像进行二维傅里叶变换（2D-FT）分析，以量化波纹取向和空间周期性。

# 实验细节

采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）将45 nm厚的非晶硅（a-Si）层沉积在玻璃基底上预先沉积的300 nm厚氧化物层上。沉积后，样品在450°C下进行30分钟的热退火作为脱氢过程。此步骤可去除PECVD过程中 trapped 的氢，通过在激光退火过程中防止爆发性气体释放来确保高质量薄膜。所制备a-Si薄膜的表面粗糙度（Ra）为……

# 结果与讨论

图2(a)展示了最大能量密度 $F_0 = 300\,\mathrm{mJ/cm^2}$ 单脉冲辐照后硅薄膜表面的光学显微镜图像。辐照区域从中心向外分为同心圆状区域，每个区域标记有不同的颜色，其中颜色相同的区域假定具有相似的表面特征。各区域对应的能量密度范围定义为：(i) 70–100 mJ/cm2，(ii) 100–150 mJ/cm2，(iii) 150–200 mJ/cm2，(iv) 200–260 mJ/cm2。

# 结论

在本工作中，我们表明纳秒紫外高斯光束辐照硅薄膜会产生不同的改性区域——从弱熔化到致密纳米粒子覆盖和烧蚀——由局部能量密度和累积效应控制。通过定义阈值能量密度 $F_{th}$ 和波纹稳定性上限能量密度 $F_r$，并以解析方式描述有效改性宽度，我们建立了区分单条和双条形成区域的设计规则。系统性的1D和2D扫描……

# CRediT作者贡献声明

Eun Sol Cho：原始稿件撰写、软件、调查、正式分析、数据管理。Min Jin Kang：方法学、正式分析、数据管理。Hyun Hong：方法学、正式分析、数据管理。Ju Hyeon Kim：方法学、数据管理。Byoung-Ho Cheong：审稿与编辑、监督、项目管理、调查、概念化。

# 利益冲突声明

作者声明，他们没有已知可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

Eun Sol Cho | Min Jin Kang | Hyun Hong | Ju Hyeon Kim | Byoung-Ho Cheong