用于激光驱动技术的“黑硅”材料等离子体特性

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激光诱导等离子体在高压驱动、微推进、激光等离子体点火等研究领域有着广泛的用途。该技术的相关研究已取得显著进步,但是仍然存在着很多问题,其中较为突出的是激光与材料的能量耦合效率低。“黑硅”是指在可见光和近红外波段具有超高的光吸收系数的硅材料。基于该特性,本文选择黑硅(black silicon)作为研究对象,研究了不同硅片的激光减反射性能,继而表征了不同硅片表面的激光诱导等离子体特性,并且从微观角度分析了不同硅片对激光的吸收机理。研究结果如下:采用两步金属辅助化学刻蚀法分别制备了金字塔硅和“金字塔—纳米线”微纳复合结构“黑硅”材料。利用场发射扫描电子显微镜、X射线衍射(XRD)和拉曼光谱(Raman spectra)对样品的微观形貌、晶型和结构性质进行了表征。结果显示硅片表面长满了高度在3~4μm之间的金字塔结构,以及在金字塔结构上被一层直径小于50 nm、长度约400 nm的纳米线均匀覆盖,并且呈现周期性分布。金字塔硅和“黑硅”的晶型与成分性质没有发生变化,与单晶硅片一致,但是“黑硅”的拉曼散射光强度明显增强。采用近红外光谱仪分别对抛光硅片、金字塔硅和“金字塔—纳米线”微纳复合结构“黑硅”材料在900 nm~1700 nm波长范围内的反射率进行测试。结果表明三种硅片的平均反射率分别52.64%、21.32%和11.94%。与抛光硅片相比,金字塔硅和“黑硅”的低反射率是由于入射光在自身结构内部的多次反射及表面周期性结构引起的等多种光学效应。“黑硅”内部等效的多层膜结构内部的干涉使其相邻层n N-n N-1很小,一定程度上减少了折射率突变带来的反射。采用原子发射光谱法和超高速摄影研究了抛光硅片、金字塔硅和“黑硅”的激光诱导等离子体特性,结果表明,在相同的激光能量下,激光诱导“黑硅”的发射光谱谱线强度最高,等离子体电子温度和电子密度均有所增强,等离子体持续时间变长。其中,“黑硅”的激光诱导等离子电子温度比金字塔硅和抛光硅片分别高约5000 K和7000 K,在12.05 m J激光能量下,“黑硅”的烧蚀坑面积和体积最大,金字塔硅其次,抛光硅片最小。研究结果对于提升“黑硅”材料在激光等离子体驱动、激光等离子体推进、激光等离子体点火等领域的实际应用具有重要参考价值。
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