導(dǎo)讀：你沒有看錯(cuò)，激光清洗不僅僅是可以用來進(jìn)行清洗！來自西安交通大學(xué)的學(xué)者利用激光清洗的辦法來輻照Si的表面，不僅僅清洗了表面沉積的氧化物，還實(shí)現(xiàn)了微納多尺度表面結(jié)構(gòu)的制備，使得Si表面的抗反射性能進(jìn)一步提高，這一成果發(fā)表在期刊《Applied Surface Science》上。
為了滿足Si表面超寬帶完美吸收可見紅外光的要求，急需一種綠色、高效和經(jīng)濟(jì)的制造工藝以滿足在空氣中進(jìn)行制備多尺度微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的需要。來自西安交通大學(xué)的研究人員為大家展示一種利用激光清洗技術(shù)進(jìn)行激光輻照的辦法在空氣中在Si表面實(shí)現(xiàn)了多尺度微納抗反射復(fù)合結(jié)構(gòu)（即高吸收率）。激光清洗技術(shù) 不僅有效的去除了激光織構(gòu)表面上沉積的氧化物，還可以制備出小尺度的精細(xì)的微納結(jié)構(gòu)。一個(gè)創(chuàng)新的聚焦的橢圓形的光斑用來實(shí)現(xiàn)較大面積的輻照和能量衰變 ，并連續(xù)多次采用激光清洗的辦法進(jìn)行照射激光處理的表面，進(jìn)而可以解決在清洗過程中產(chǎn)生的新的氧化物沉積的問題。該工藝的效率可以提高4.8倍。在波長為300到2500nm的范圍內(nèi)，平均反射率可以達(dá)到2.06%。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在2.5 到 16 μm的波長范圍內(nèi)，Si對紅外光的吸收系數(shù)得到顯著的提升。 平均反射率降低到4.98%，對寬帶的抗反射率低于6.6%。尤其是，在 2.5 到 10 μm的波長范圍內(nèi)，抗發(fā)射率低于5.0%，平均發(fā)射率為4.3%，這一數(shù)值是目前為止公開報(bào)道的采用激光加工所獲得的最低數(shù)值。這一激光清洗輔助輻照的策略制備的抗反射結(jié)構(gòu)將成為將來光電器件制備的較為理想的一個(gè)選擇。
研究成果的Graphical abstract
成果背景
Si是在太陽能電池和光電探測器件中應(yīng)用最為重要的一種材料。在這些應(yīng)用場合，在空氣—硅界面處的高反射率則嚴(yán)重阻礙了光的有效吸收，進(jìn)而嚴(yán)重的影響了這些器件的性能。因此，在Si表面制備抗反射表面就成為業(yè)界和研究學(xué)者們廣泛關(guān)注的問題。自然界中生物體表面形成的微納結(jié)構(gòu)具有性能優(yōu)異的性質(zhì)（黃金龜甲蟲是世界上最小和最迷人的透明生物之一，其長度僅有5到8毫米，外形與瓢蟲類似。可以自動(dòng)改變自身的反射率），極大的激發(fā)了科學(xué)家們在Si表面設(shè)計(jì)抗反射結(jié)構(gòu)。目前已經(jīng)有好幾種制備抗反射微納結(jié)構(gòu)的手段，如化學(xué)蝕刻、電化學(xué)蝕刻、離子反應(yīng)蝕刻、金屬顆粒支撐的等離子共振技術(shù)等。在過去的幾年里，采用飛秒激光加工具有柔性好、加工操作簡單。可控性好等優(yōu)點(diǎn)，而被認(rèn)為是最有前途的制備微納結(jié)構(gòu)的手段，采用飛秒激光（fs laser）制備微納結(jié)構(gòu)非常方便，從而在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。黑色Si表面在SF6和H2S氣體的氛圍中可以采用飛秒激光成功地制備出圓錐形的微納表面。并且采用飛秒激光還可以制備出微納結(jié)構(gòu)的微槽。在可見光范圍內(nèi)反射被抑制，其黑色的表面所擁有地發(fā)射率小于5%。盡管如此，在近紅外光譜范圍內(nèi)（0.78-2.5μm），其表面反射率大約在10%左右。很少有報(bào)道指出在紅外光譜（> 2.5μm）時(shí)存在抗反射結(jié)構(gòu)。對于紅外波段范圍內(nèi)的光，很難在Si表面將其抗反射率降低到20%以下。對于工作在紅外波段范圍內(nèi)的紅外探頭、紅外熱成像儀、光纖通訊器件等，制備出超低反射率的Si表面是至關(guān)重要的。總地來說，Si表面的抗反射性能需要同時(shí)滿足寬帶和超低發(fā)射率的要求，還是面臨著巨大地挑戰(zhàn)。因此，在黑色Si表面采用fs 激光制造超低反射率地寬帶表面微納結(jié)構(gòu)成為前言研究領(lǐng)域和熱點(diǎn)話題。
黃金龜甲蟲 是自然界中可以自動(dòng)改變反射率的一種生物
激光輻照用于微納結(jié)構(gòu)制備和在Si基材表面進(jìn)行沉積時(shí)的動(dòng)力學(xué)示意圖
在采用激光在材料表面進(jìn)行輻照時(shí)經(jīng)常會(huì)沉積大量的粒子。如果激光加工是在空氣中進(jìn)行的話，將會(huì)在沉積的表面生成大量的外來的氧化物顆粒。這些大量沉積的氧化物顆粒將對材料和Si的結(jié)構(gòu)特征和性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。大量的報(bào)道指出，采用飛秒激光在黑色的Si表面誘導(dǎo)生成微納結(jié)構(gòu)的工藝是在空氣中或者在真空中進(jìn)行的。特殊的激光加工環(huán)境會(huì)使得加工設(shè)備變得更為復(fù)雜和增加加工成本，從而反過來限制了采用激光在Si表面誘導(dǎo)生成微納結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。盡管Si表面上生成的氧化物可以采用HF進(jìn)行去除，但HF對人體非常有害，而且廢棄的HF又是強(qiáng)污染的物質(zhì)。如何在Si表面采用激光以一種綠色、高效、低成本的方式來制備出抗反射性能的表面結(jié)構(gòu)成為一個(gè)非常重要的話題。
a）激光輻照后的形貌以及Si表面和b）激光織構(gòu)的表面采用HF蝕刻后的形貌
a）Si表面在不同蝕刻時(shí)間后的化學(xué)成分，b）Si表面抗反射的演化
激光清洗作為一種綠色且環(huán)境友好的清洗工藝，正成為一種新的表面清潔技術(shù)而得到迅速的應(yīng)用。在該技術(shù)應(yīng)用時(shí)，激光能量選擇在可以破壞表面的污染物而不傷害基材的門檻值范圍內(nèi)，從而使得被清除物首先與激光能量相接觸而生成氣體、崩裂物和剝落物的形式而離開基材，并且不會(huì)對基材造成損害。在本研究中，沉積在Si表面的氧化物的能量閾值低于Si基材。因此，可以采用激光清洗技術(shù)來去除Si表面覆蓋的沉積的氧化物。這樣，激光加工技術(shù)在Si表面制備微納結(jié)構(gòu)時(shí)所產(chǎn)生的沉積的氧化物對Si性能和結(jié)構(gòu)損傷的問題就可以采用激光清洗技術(shù)來以一種綠色且經(jīng)濟(jì)的方法來解決。
采用圓形光斑進(jìn)行激光清洗沉積的氧化物的示意圖
圖解：(a) Si表面激光織構(gòu)后得到的氧化物沉積的形貌； (b)–(c) 激光掃描速度為15 和 10 mm/s時(shí)，激光清洗后Si表面的形貌； (d) 制備的微納結(jié)構(gòu)的抗反射效果測量數(shù)據(jù)； (e) Si表面的化學(xué)成分分析
于是，來自西安交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)為大家展示了一種經(jīng)濟(jì)的制備多尺度微納結(jié)構(gòu)的手段，該方法是通過在空氣中利用激光清洗技術(shù)來輔助輻照Si 表面生成的沉積的氧化物，利用聚焦的橢圓形的光斑來實(shí)現(xiàn)較大面積的輻照和能量的持續(xù)衰減來清洗表面的沉積物。結(jié)果激光清洗技術(shù)不僅清理了表面的沉積物，同時(shí)還制備出小尺度的精細(xì)的微納結(jié)構(gòu)。微納結(jié)構(gòu)表面不僅提高了吸收率，同時(shí)還拓寬了可以吸收的光譜范圍。目前這一研究成果可以提供一種經(jīng)濟(jì)、有效的手段在空氣中于Si表面制備出寬帶的抗反射表面結(jié)構(gòu)。這對Si基太陽能電池和光電探測器件的應(yīng)用十分有用。
采用橢圓形光斑進(jìn)行激光清洗沉積的氧化物的示意圖
a” 當(dāng)激光隨著時(shí)間開始向一特定區(qū)域進(jìn)行時(shí)的輻照狀態(tài)圖“b”激光線掃描的脈沖日期順序；“c”采用橢圓形光斑進(jìn)行激光清洗氧化物沉積時(shí)的示意圖
圖解：(a)激光清洗工藝參數(shù)為500 mW、 8 mm/s 掃描速度, 60 μm 掃描間距時(shí)得到的SEM圖； (b–c) 采用圓形激光光斑或橢圓形光斑進(jìn)行激光清洗和不進(jìn)行激光清洗時(shí)，在Si表面進(jìn)行激光織構(gòu)的抗反射率和化學(xué)成分分析
研究成果的主要亮點(diǎn)：
?采用激光清洗技術(shù)進(jìn)行輔助輻照的手段在Si表面制備出微納結(jié)構(gòu)；
?激光清洗技術(shù)可以去除表面沉積的氧化物并誘導(dǎo)生成微納結(jié)構(gòu)；
?采用聚焦的橢圓形光斑來解決新生成的氧化物沉積的問題，激光清洗技術(shù)直接將其清除掉了；
?在光波長為300到2600nm的范圍內(nèi)，平均抗反射率為2.06%；
?Si表面在對紅外光光波長為2.5–16 μm時(shí)的吸收，得到了巨大的提高。
這一成果發(fā)表在表面領(lǐng)域頂刊《Applied Surface Science》上。
文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.145182，Multi-scale micro-nano structures prepared by laser cleaning assisted laser ablation for in ambient air，Applied Surface Science，Volume 509, 15 April 2020, 145182
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