Диссертация (1097807), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Проведенные экспериментыуказывают на то, что возбуждение более 10% валентных электронов вызывает«нетермическое размягчение» структуры без изменения температуры решетки [87]. Приэтом нетермическая модификация структуры материала возможна, если время эмиссиифононов возбужденной электронной подсистемой больше длительности лазерногоимпульса, что справедливо для фемтосекундных импульсов. Поэтому особый интереспредставляют исследования по кристаллизации аморфного кремния фемтосекунднымилазерными импульсами.
Кроме того, использование фемтосекундных лазерныхимпульсов с энергией кванта в области прозрачности материала позволяет надеяться наотносительно равномерное распределение образующихся нанокристаллов по толщинепленки.В работе [88] плёнки a-Si:H с различным содержанием водорода были полученыметодом PECVD. Плёнки первого типа толщиной 90 нм осаждались при температуре250 оС (содержание водорода ~20 ат%). Плёнки второго типа толщиной 128 нмосаждались при температуре 200 оС (содержание водорода ~40 ат%). Было установлено,что при облучении пленок фемтосекундными лазерными импульсами (длина волны –800 нм, длительность – 30 фс) с плотностью энергии менее 35 мДж/см2 в них непроисходитдетектируемыхметодомрамановскойспектроскопииструктурныхизменений.
Для пленок первого типа небольшой кристаллический максимум появляетсяв спектре рамановского рассеяния при обработках с плотностью энергии 38 мДж/см2. Пооценкам, доля кристаллической фазы в этом случае составляет несколько процентов, а36средний размер нанокристаллов - 2–3 нм. Интенсивность кристаллического максимумарастет с ростом плотности энергии лазерных импульсов. Определенный из положениямаксимума размер кристаллических зерен при сканирующих лазерных обработках сплотностью энергии 63 мДж/см2 достигает 4 нм. Пленка при этом практическиполностью кристаллизована. Необходимо отметить, что при плотности энергии выше 75мДж/см2 происходила частичная абляция пленок, а при обработках с плотностьюэнергии 100 мДж/см2 и выше происходила их полная абляция.
Для пленок второго типа(большее содержание водорода) нанокристаллы мелкодисперсные, а однородностьобработок неудовлетворительная. Влияние водорода проявляется, по-видимому, впроцессе поглощения фотонов (коэффициент поглощения зависит от содержанияводорода).Еслисодержаниеводородапревышаетнекоторуюкритическуюконцентрацию, то в процессе лазерных воздействий и постимпульсного остывания онможет собираться в пузыри и отрывать пленку (процесс спалляции [89]), что ипроявилось для пленок второго типа.В результате воздействия фемтосекундных лазерных импульсов, как и в случаенаносекундных, изменяются не только объемные структурные свойства плёнокгидрогенизированного аморфного кремния. ФЛО приводит также и к изменениюповерхности плёнок, что оказывает сильное влияние на физические свойстваполученных образцов и на дальнейшее их применение, например, в тонкоплёночнойсолнечной энергетике.В работе [90] плёнки a-Si:H толщиной 80 нм были облучены фемтосекунднымилазерными импульсами с длительностью 150 фс и длиной волны 775 нм.
В результатеавторы работы наблюдали изменение цвета поверхности, что свидетельствует обизменениях, произошедших под действием фемтосекундной лазерной обработки иизменении фазового состояния. Ещё одно изменение в структуре поверхности пленкипосле лазерной обработки – это появление остроконечных шероховатостей (spikes)субмикронного размера. Получение шероховатых структур на поверхности пленокможет быть использовано в солнечных элементах для снижения отражения света.Получениешероховатостейнаповерхностикристаллическихкремниевыхподложках фемтосекундным лазерным излучением было детально исследовано группойМазура в работах [91, 92], где подложки были обработаны в атмосфере серосодержащихгазов, таких как SF6. Полученная поверхность сильно поглощала свет и казалась черной.37Поэтому такой кремний получил название «черного» кремния.Кроме того,фемтосекундная лазерная обработка поверхности кремния привела к значительномуснижению отражения в видимой и ближней ИК областях.В работе [93] исследовалось образование шероховатостей на поверхности плёнок aSi:H, подвергнутых ФЛО.
Для изучения размерных параметров шероховатостейисследователи воспользовались изображениями, полученными с помощью методаатомно-силовой микроскопии (АСМ). Установлено, что высота шероховатостейувеличивается с увеличением плотности энергии лазерных импульсов. Средняя высоташерховатостей составляла около 150 нм при плотности энергии лазерных импульсов 0.3Дж/см2 и высота увеличивалась преимущественно линейно с увеличением плотностиэнергии лазерного воздействия. Авторы отмечают, что высота шероховатостей около350 нм достигается при плотностях энергии 0.5 Дж/см2. При дальнейшем увеличенииплотности энергии лазерных импульсов происходит процесс абляции.Авторы [94] исследовали формирование шерховатостей на поверхности пленок aSi:H в результате их фемтосекундной лазерной обработки (длительность импульсов –130 фс, длина волны – 800 нм) на воздухе и в воде.
Среднее расстояние междуполученными шероховатостями составляло около 210-230 нм, что много меньше, чемдлина волны лазерного излучения. На рис. 1.10 представлена зависимость среднейвысоты шероховатостей от количества импульсов для различных плотностей энергиилазерных импульсов. Видно, что при плотностях энергии лазерных импульсов 1, 1.2, 1.4и 1.6 Дж/см2 средняя высота шероховатостей линейно увеличивается с увеличениемколичества импульсов лазерного воздействия до 50.
При дальнейшем увеличенииколичества импульсов начинает происходить абляция плёнки и соответствующееснижение высоты шероховатостей. То же самое характерно и для плёнок, которыеобрабатывались лазерным излучением с плотностью энергии 1.8 Дж/см2. То есть,начиная с некоторого значения количества импульсов, начинается абляция плёнки,приводящее к уменьшению высоты шероховатостей.38Рис. 1.10.
Зависимость средней высоты шероховатостей на поверхности пленок a-Si:H, подвергнутыхФЛО, от количества импульсов при различных плотностях энергии лазерных импульсов [94].Было также обнаружено, что лазерно-кристаллизованные плёнки a-Si:H, собразованными на поверхности шероховатостями, можно рассматривать как образец спеременным аморфным слоем и линиями микрокристаллического кремния с периодомоколо 2 мкм [95]. На рис. 1.11 представлены снимки, полученные с помощью атомносилового микроскопа, поверхности плёнок a-Si:H после обработки их фемтосекунднымилазерными импульсами с различной плотностью энергии.
Из рисунка видно, чтовысокая плотность энергии лазерных импульсов в течение короткого периода временипроизводит большие модуляции поверхности.В представленной диссертационной работе для получения пленок nc-Si/a-Si:Hпутем лазерной кристаллизации аморфного кремния были получены плёнки a-Si:Hтолщиной 300 нм и 500 нм методом плазмохимического осаждения из газовой фазы приразложении смеси SiH4 и аргона (Ar) в плазме высокочастотного тлеющего разряда соскоростью 2 Å/с при температуре кварцевой подложки 250 оС. Объемное соотношениегазов в реакционной камере составляло 25% SiH4 + 75% Ar.39Рис. 1.11.
Фотографии АСМ поверхностей a-Si:H после воздействия фемтосекундными лазернымиимпульсами: а) 51720 импульсов с энергией 68 мкДж; b) 200 импульсов с энергией 365 мкДж [95].Обработкапленокa-Si:Hфемтосекунднымилазернымиимпульсамиосуществлялась излучением Yb:KGW лазерной системы с частотой повторенияимпульсов 200 кГц, центральной длиной волны излучения 1030 нм и длительностьюимпульса 500 фс. Фокусировка лазерного излучения на образец проводилась сиспользованием асферической стеклянной линзы с числовой апертурой 0.16. Фокальнаяплоскость была помещена на расстоянии 80 мкм над поверхностью образца. Диаметрлазерного пучка в сечении пленки равнялся 15 мкм. Использовался сканирующий методобработки поверхности a-Si:H. Скорость сканирования составляла 5 мм/с.
Шагсканирования (расстояние между ”полосами“ сканирования) был равен 2 мкм.Плотность энергии лазерных импульсов изменялась от 0 до 500 мДж/см2. Распределениеплотности энергии лазерного пятна имело форму кривой ГауссаE F = E0 exp J−FL,2F0где W0 – максимум плотности энергии, r0 –радиус лазерного пятна.Анализ поверхности пленок a-Si:H, обработанных фемтосекундным лазернымизлучением, проводился с помощью методов оптической микроскопии (оптическиймикроскоп Olympus BX41), растровой электронной микроскопии (микроскоп Supra 50VP LEO с системой микроанализа INCA Energy+ Oxford) и атомной силовоймикроскопии (микроскоп Veeco MultiMode 4 AFM).40На рис. 1.12 представлены полученные с помощью оптического микроскопафотографии поверхности образцов a-Si:H, облученных фемтосекундными лазернымиимпульсами. Фотографии были получены в режиме пропускания.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
