纳米|大气环境下采用激光清洗辅助激光烧蚀在宽带超低反射率的硅表面制备多尺度微纳结构( 二 )

在激光辐照下，烧蚀区周围的材料表面产生了大量的沉积颗粒。如果加工环境是在环境空气中，大量的外来氧气物种被纳入沉积的粒子。氧化硅的沉积对硅的材料和结构特性有一定的影响。目前关于fs激光诱导黑硅的报道大多是在环境气体或真空中进行的。特殊的激光加工环境使设备更加复杂，增加了加工成本，限制了激光诱导黑硅法的应用。虽然氢氟酸可以消除硅氧化物的沉积，但氢氟酸对人体非常有害，废酸溶液具有很强的污染。如何以绿色、高效、低成本的方式利用激光加工出具有织构的Si表面，提高其抗反射性能，成为一个重要的问题。
激光清洗作为一种绿色环保的清洗方法，已成为一种新的表面处理技术，在许多领域得到了大规模应用。在这项技术中，污染物的激光烧蚀阈值小于大块材料，因此污染物可以先达到材料的烧蚀阈值，然后通过气化、破碎和剥离去除，从而实现在不损坏大块材料的情况下去除污染物的过程。在本研究中，氧化硅沉积的烧蚀阈值小于硅材料。因此，激光清洗技术的原理被用于去除覆盖有纹理结构的硅表面的氧化物沉积。可以以绿色、经济的方式解决激光加工织构硅表面时由于表面氧化而导致的应用性能下降问题。

在RI (a) 1.45和(b) 3.42的基底上，等效五次方程的表面浮雕图。 (c-e)模拟软件定义的仿生蛾眼轮廓，以及对应的参数扫描波长为1000 nm的光的反射率随高度(h)和周期(d)的变化。用于1000 nm波长的硅折射率为3.617 + 0.0041i 。
1991年， Southwell等人用数值方法表明，具有修正的金字塔构型(具有弯曲而不是平坦的三角形边)的地表起伏结构具有最佳的梯度-RI剖面。这种SWS可以用五次梯度-RI剖面近似表示，随着材料RI的变化，基本的金字塔形状略有不同(上图) 。在最宽的带宽上，表面反射可以减少几个数量级。后来，在二维EMT的基础上， Moharam等人也指出，连续锥形SW光栅结构的形状是宽带AR表面的最佳设计。
报道了一种简便、经济的方法，通过激光清洗辅助飞秒激光在硅表面在环境空气中烧蚀来制备多尺度微纳米复合材料结构。在高激光注量下，通过激光烧蚀制备了大尺寸的微结构。为了去除激光再沉积颗粒，采用聚焦椭圆激光光斑实现激光处理表面的大面积、能量连续衰减多次激光清洗。激光清洗技术不仅可以有效地消除材料表面的氧化物沉积，而且可以制造出小尺寸的精细微结构和纳米结构。微纳复合结构不仅可以充分发挥微结构和纳米结构的优势，提高吸收效率，而且可以有效拓宽吸收光谱。本文的激光加工方法能够为在环境空气中制造宽带超低反射率硅表面提供一种经济高效的解决方案。特别是，实现了硅在宽频带上的中红外光吸收的极大增强。这有利于硅基太阳能电池和光电探测器的实际应用。
2.材料和方法
2.1. 微纳结构制造
使用扫描电子显微镜（SEM）（日本日立）和能量色散X射线光谱系统（EDS）（INCA X-Sight ，型号7426）分析微纳米结构表面的表面形态和元素掺入。利用紫外分光光度计（日本岛津）对紫外线（UV）、可见光（VIS）和近红外（NIR）区域（300–2500 nm）的总反射率的波长依赖性进行了表征。使用带有A562型积分球的BrukerTensor-Fourier变换红外（FTIR）光谱仪测量中红外（MIR）区域（2.5–16μm）总反射率的波长依赖性。
3.结果与讨论
3．1. 激光烧蚀增透微结构的形成
图1为激光烧蚀对微结构产生的影响。当激光辐照量超过材料的烧蚀阈值时，激光扫描可在材料表面形成微沟槽。同时，高通量激光脉冲对材料表面的辐照可以形成等离子体羽流，它由原子、团簇和微粒等高能物质组成。由于重力和大气压力，它们中的一些在消散并沉积到材料表面之前就失去了初始动能。我们知道，沟槽的深宽比越大，光在沟槽内的多次反射越有利，反射率越低。为了提高材料表面的增透性能，采用多种平行交叉扫描方式进行显微组织的制备。