中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所和北京大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種用于超寬帶光電探測(cè)器的拓?fù)浣^緣體鉍薄膜質(zhì)量提升的新技術(shù)，相關(guān)研究成果以“Femtosecond laser upgrading the quality of bismuth films to enhance ultra－broadband photodetection”為題發(fā)表在《Optics Express》上。
拓?fù)浣^緣體鉍（Bi）由于其無(wú)間隙邊緣態(tài)和絕緣體態(tài)特性，在室溫、超寬帶和高性能光電探測(cè)器的制備研究中引起研究人員廣泛關(guān)注，這些探測(cè)器可以跨越紫外線到遠(yuǎn)紅外甚至太赫茲范圍。然而，鉍薄膜的表面粗糙度和晶界極大地影響了其光電轉(zhuǎn)換和載流子傳輸，限制了其光電性能。飛秒激光由于其超高峰值功率和超短持續(xù)時(shí)間的特性，可以在各種材料上提供非接觸式高精度制造。本文中，研究人員展示了飛秒激光處理來(lái)改變鉍薄膜的表面形態(tài)和理化性質(zhì)，提高鉍薄膜質(zhì)量的方法。通過(guò)調(diào)整脈沖能量和掃描速度等激光參數(shù)處理后，平均表面粗糙度測(cè)量值由Ra ＝ 44 nm降低到6．9 nm，且晶界明顯消除。改善了鉍薄膜的光電轉(zhuǎn)換和載流子傳輸，增強(qiáng)其光電性能。因此，鉍薄膜的光響應(yīng)性在從可見(jiàn)光到中紅外的超廣譜范圍內(nèi)增加了大約2倍。研究表明，飛秒激光處理有助于提高拓?fù)浣^緣體超寬帶光電探測(cè)器的性能。
飛秒激光升級(jí)鉍薄膜
在研究中，通過(guò)直流磁控濺射方法制備了二氧化硅（SiO2）基鉍薄膜（約300 nm厚），用于進(jìn)一步的飛秒激光處理。如圖1中的原理圖所示，使用商用鈦藍(lán)寶石飛秒激光放大器（Spitfire Ace， Spectra Physics）作為光源，發(fā)送線圈偏振紅外（800 nm， 1 kHz， 40 飛秒）脈沖序列。光束擴(kuò)展后，通過(guò)焦距f ＝50 mm的柱面透鏡聚焦在固定在高精度三維平移臺(tái)上的鉍薄膜上，形成直徑約30 mm的線形光束光斑。以1mm ／s的速度掃描樣品，完成了大面積的表面處理。令人驚訝的是，飛秒激光照射后，可以同時(shí)操縱外表面和內(nèi)部晶界，分別由圖1的左右部分圖片所示。
圖1所示：飛秒激光處理鉍薄膜的原理圖。
表面形態(tài)和晶界的變化
為了更好地理解激光參數(shù)對(duì)鉍薄膜表面粗糙度和晶界的影響，研究人員實(shí)驗(yàn)研究了激光處理后的表面隨每脈沖入射能量通量的變化規(guī)律。圖2（a）－（f）展示了一組原子力顯微鏡（AFM）圖像，顯示了不同激光影響下表面形態(tài)的變化。圖2 （g）計(jì)算的平均表面粗糙度（Ra）和均方根平均表面粗糙度（Rq）作為每脈沖激光通量F的函數(shù)。此外，飛秒激光處理前后鉍薄膜的高分辨率SEM圖像可以揭示晶體晶界的變化，如圖3（a）－（e）所示。從圖3（a）－（b）可以看出，隨著f的增大，薄膜的晶界逐漸消失，從圖3（a）－（b）可以看出，原始薄膜由許多晶粒組成，晶粒的尺寸分布很廣，從幾十納米到幾百納米不等，特別是表面有一些較大的凸出顆粒，對(duì)光滑度有顯著影響。截面掃描電鏡圖像表明，這些突出顆粒的尺寸甚至大于原始薄膜的厚度。（i）用不同的激光通量對(duì)原始和激光處理后的鉍薄膜進(jìn)行了拉曼光譜測(cè)量。
圖2所示：飛秒激光處理鉍薄膜表面形態(tài)隨脈沖能量通量的演變。
圖3所示：鉍薄膜的SEM和拉曼光譜分析。
改性鉍薄膜的光電性能
利用寬帶激光激發(fā)，對(duì)激光處理后的鉍薄膜的光電性能進(jìn)行了評(píng)估。圖4（a）所示的光學(xué)圖像和插圖比較了激光處理前（左）和處理后（右）樣品表面的兩部分形態(tài)。顯然，即使是厘米級(jí)的激光加工，樣品的表面粗糙度也可以由于大的突出顆粒的消失而大大降低。研究人員還利用原子力顯微鏡（AFM）對(duì)薄膜表面的形態(tài)變化進(jìn)行了三維（3D）表征，如圖4（b）， c所示，其中鉍薄膜表面的突出顆粒被有效去除，表面形態(tài)明顯光滑。通過(guò)對(duì)比激光處理前后的AFM測(cè)量數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)它們的平均高度差約為200 nm，最大值約為300 nm。
圖4所示：鉍薄膜激光處理前后表面粗糙度的比較。
圖5（a）顯示了在二氧化硅（SiO2）襯底上制備的Ag－Bi－Ag器件的原理圖，其中兩個(gè)Ag電極連接在一起用于光電流（PC）測(cè)量。有效的PC響應(yīng)來(lái)源于兩個(gè)部分：Bi－Ag結(jié)的界面和鉍薄膜遠(yuǎn)離金屬電極的內(nèi)部區(qū)域。由于主要的光熱電效應(yīng)，在研究人員的研究中，光電流信號(hào)主要從結(jié)的界面采集。
圖5所示：鉍薄膜寬帶光電探測(cè)器。（a）設(shè)備布局示意圖。（b－d）不同激發(fā)波長(zhǎng)下（b） 532 nm， （c） 4μm， （d） 10．6μm的原始和激光處理鉍薄膜光電探測(cè)器的寬帶光響應(yīng)。（e）載體傳輸增強(qiáng)機(jī)制示意圖。
研究人員證明了飛秒激光處理可以作為一種有效的方法來(lái)改造鉍薄膜，包括表面粗糙度和晶界兩個(gè)方面。通過(guò)激光參數(shù)的可調(diào)，不僅可以連續(xù)改變薄膜的表面粗糙度，還可以同時(shí)消除晶界，從而顯著改善載流子傳輸。與原始樣品相比，即使在室溫下，激光處理的鉍薄膜在可見(jiàn)光到中紅外 （MIR）的寬帶范圍內(nèi)也表現(xiàn)出了兩倍的光響應(yīng)性。總的來(lái)說(shuō)，該方法可以進(jìn)一步用于提高其他拓?fù)浣^緣體的質(zhì)量，必將促進(jìn)拓?fù)浣^緣體材料在超寬帶光電探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。作者們也希望他們的研究可以啟發(fā)更多關(guān)于飛秒激光加工調(diào)制拓?fù)淞孔硬牧系难芯俊?/p>
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