Структурирование поверхности кремниевых пластин гигантскими импульсами низкочастотного YAG:ND лазера
А.А. Фроня1,2, А.Т. Саакян1
1 ФГБУН «Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН»
2 ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.738
Оригинальная статья
Аннотация: Представлены результаты экспериментального исследования воздействия на кремниевые пластиныизлучения гигантских импульсов наносекундного низкочастотного лазера на кристалле иттрий-алюминиевого граната, легированного неодимом с длиной волны 1,064 мкм. Длительность импульсов лазерного излучения по полувысоте составляла 170 нс, частота повторения импульсов 2 Гц. Эксперименты проводились для случаев нахождения кремниевых пластин как в воздушной среде, так и в бидистиллированной воде. При облучении в воздушной среде на поверхности кремниевой пластины удалось сформировать наноструктурированную область с однородным распределением частиц. Время воздействия составляло 2 минуты, что соответствовало 240 импульсам лазерного излучения. При этом частицы были сформированы в основном из диоксида кремния, образующегося в результате термического окисления при абляции в воздушной среде. При увеличении времени воздействия вдвое такого эффекта не достигалось, а формировались областидеструкции пластины. При облучении в бидистиллированной воде в течении двух и четырех минут на поверхности кремниевой пластины превалировали механические и термические деструкции, которые проявлялись в растрескивании по граням кристаллической структуры и в виде поверхностных застывших проплавленных областей.
Ключевые слова: лазерное излучение, наносекундные импульсы, кремний, структурирование поверхности, деструкция, наночастицы
- Фроня Анастасия Андреевна – старший научный сотрудник ФГБУН, ФГБУН «Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН», доцент ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
- Саакян Артём Тигранович – и.о. заведующего лабораторией (лаборатория воздействия лазерного излучения), ФГБУН «Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН»
Ссылка на статью:
Фроня, А.А. Структурирование поверхности кремниевых пластин гигантскими импульсами низкочастотного YAG:ND лазера / А.А. Фроня, А.Т. Саакян // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2024. — Вып. 16. — С. 738-745. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.738.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Haug, H. Quantum theory of the optical and electronic properties of semiconductors / H. Haug, S.W. Koch.м– 5th ed. – Singapore: World Scientific Publishing, 2009. – 484 p. DOI: 10.1142/7184.
2. Handbook of porous silicon; ed. by L Canham. – Cham: Springer, 2018. – 1000 p. DOI: 10.1007/978-3-319-04508-5.
3. Ishchenko, A.A. Nanosilicon: properties, synthesis, applications, methods of analysis and control / A.A. Ishchenko, G.V. Fetisov, L.A. Aslanov; 1st ed. – Boca Raton: CRC Press, 2014. – 735 p. DOI: 10.1201/b17170.
4. Agranovich, V.M. Hybrid resonant organic–inorganic nanostructures for optoelectronic applications / V.M. Agranovich, Y.N. Gartstein, M. Litinskaya // Chemical Reviews. – 2011. –V. 111. – I. 9. – P. 5179-5214. DOI: 10.1021/cr100156x.
5. Minnullin, A.N. Photoluminescence kinetics of a metastable SiGe/Si layer with ring microstructures on the surface / A.N. Minnullin, S.V. Shevtsov // Bulletin of the Lebedev Physics Institute. – 2015. – V. 42. – P. 302-304. DOI: 10.3103/S1068335615100061.
6. Nesterov, V.Y. Laser fragmentation of silicon microparticles in liquids for solution of biophotonics problems / V.Yu. Nesterov, O.I. Sokolovskaya, L.A. Golovan et al. // Quantum Electronics. – 2022. – V. 52. – № 2. – Art. № 160. – 11 p. DOI:10.1070/QEL17984.
7. Zabotnov, S.V. Silicon nanoparticles as contrast agents in the methods of optical biomedical diagnostics / S.V. Zabotnov, F.V. Kashaev, D.V. Shuleiko et al. // Quantum Electronics. – 2017. – V. 47. – № 7. – Art. № 638. – 9 p. DOI: 10.1070/QEL16380.
8. Gongalsky, M.B. Laser-synthesized oxide-passivated bright Si quantum dots for bioimaging / M.B. Gongalsky, L.A. Osminkina, A. Pereira et al. // Scientific Reports. – 2016. – V. 6. – Art. № 24732. – 8 p. DOI: 10.1038/srep24732.
9. Low, S.P. Evaluation of mammalian cell adhesion on surface-modified porous silicon / S.P. Low, K.A. Williams, L.T. Canham, N.H. Voelcker // Biomaterials. – 2006. – V. 27. – I. 26. – P. 4538-4546. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2006.04.015.
10. Fronya, A.A. Tailoring Photoluminescence from Si-based nanocrystals prepared by pulsed laser ablation in He-N2 gas mixtures / A.A. Fronya, S.V. Antonenko, A.Y. Kharin et al. // Molecules. – 2020. – V. 25. – I. 3. – Art. № 440. – 11 p. DOI: 10.3390/molecules25030440.
11. Ganichkina, K.A. Electrical properties of porous silicon as a biosensor material / K.A. Ganichkina, N.V. Latukhina // Journal of Biomedical Photonics & Engineering. – 2020. – V. 6. – I. 1. – P. 010306-1-010306-7. DOI: 10.18287/JBPE20.06.010306.
12. Kotkovskiy, G.E. The photophysics of porous silicon: technological and biomedical implications / G.E. Kotkovskiy, Y.A. Kuzishchin, I.L. Martynov et al. // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2012. – V. 14. – I. 40. – P. 13890-13902. DOI: 10.1039/c2cp42019h.
13. Marks, M.R. A review of laser ablation and dicing of Si wafers / M.R. Marks, K.Y. Cheong, Z. Hassan // Precision Engineering. – 2022. – V. 73. – P. 377-408. DOI: 10.1016/j.precisioneng.2021.10.001.
14. Jee, Y. Laser-induced damage on single-crystal metal surfaces / Y. Jee, M.F. Becker, R.M. Walser // Journal of the Optical Society of America B. – 1988. – V. 5. – I. 3. – P. 648-659. DOI: 10.1364/JOSAB.5.000648.
15. Nguyen, P.T. Nanosecond laser-induced reshaping of periodic silicon nanostructures / P.T. Nguyen, J. Jang, S.-M. Kim et al. // Current Applied Physics. – 2021. – V. 22. – P. 43-49. DOI: 10.1016/j.cap.2020.12.003.
16. Kuznetsov, L.G. Local laser oxidation of porous silicon photonic crystals / L.G. Kuznetsov, N.I. Pyshkov, S.E. Svyakhovsky // Technical Physics Letters. – 2023. – V. 49. – I. 8. – P. 61-63. DOI: 10.61011/TPL.2023.08.56691.19610.