低能离子束诱导蓝宝石自组织纳米结构与光学性能研究

针对蓝宝石有序纳米结构的制备,使用微波回旋共振离子源,研究了低能Ar+离子束在不同参数下刻蚀蓝宝石(C向)表面形成的自组织纳米结构及其光学性能。结果表明,当离子束入射能量为1200 e V、束流密度为265μA/cm2时,随着入射角度的增大(5°~40°),样品表面出现点状自组织纳米结构,该结构的有序性较差;当增加角度到45°时,样品表面出现了有序的条纹结构,在45°~70°时,增大离子束入射角度,样品表面沿离子束入射方向出现柱状结构,而在垂直于离子束入射方向,样品表面呈现出有序的条纹结构;随着离子束入射角度的增加,样品表面的纳米条纹结构的特征波长先减小(45°~60°)后逐渐增大(60°~70°),在60°附近,特征波长达到极小值,约为21.1 nm。在70°~75°时,样品表面呈现纵横比较大的纳米点状结构。增加离子束的作用时间,样品表面的纳米结构纵向尺寸增大,有序性增加,但纳米结构横向周期基本不变。有序纳米结构的出现使得样品的透射率得到提升。自组织结构变化是溅射粗糙化和表面驰豫机制相互作用的结果。     

不同离子束参数诱导单晶硅纳米微结构与光学性能

使用微波回旋共振离子源,研究了低能Ar+离子束正入射时不同离子束能量和束流密度对单晶硅（100）表面的刻蚀效果及光学性能。结果表明,当离子束能量为1 000 eV,束流密度为88~310 A/cm2时,样品表面出现自组装纳米点状结构,且随着离子束流密度增加排列紧密而有序;粗糙度呈现先减小后迅速增大的趋势,在160 A/cm2附近达到极小值;刻蚀后,近红外波段内平均透过率由53%提高到57%以上,且随着纳米自组装结构有序性的提高而增大。当束流密度为270 A/cm2,能量为500~1 500 eV时,样品表面出现纳米点状结构,且随着离子束能量的增加趋于密集有序;粗糙度呈现先缓慢增加,在1 100 eV附近达到极大值,之后粗糙度迅速下降;刻蚀后样品透过率明显提高,且平均透过率随着点状结构有序性的提高而增大;刻蚀速率与离子束能量的平方成正比。自组织纳米结构的转变是溅射粗糙化和表面驰豫机制相互作用的结果。     

铌酸锂微纳米结构的制备与分析

为实现铌酸锂光学器件的高效集成，在其表面制备亚波长结构是实现其光学特性的最佳方式。然而，目前使用的聚焦离子束刻蚀、激光刻蚀、湿法刻蚀等方法很难简单、经济、较快地制备铌酸锂亚波长结构。鉴于此，本课题组基于有限元仿真及低能离子束刻蚀技术，研究了不同离子束参数下刻蚀的铌酸锂亚波长结构及其透射率。采用Lambda950分光光度计和原子力显微镜分别对刻蚀后的铌酸锂样品的透射率、均方根粗糙度、纳米结构的纵向高度和表面形貌进行了分析。结果表明：当离子束入射角度为70°、入射能量大于600 eV、束流大于40 mA、刻蚀时间大于60 min时，铌酸锂样品表面形成了大面积的锥形纳米结构，并且纳米结构的高度随着离子束刻蚀参数的增大而增大；在可见光波段，铌酸锂表面纳米结构越高，增透效果就越明显；当入射能量为1000 eV、离子束束流为40 mA、入射角度为70°、刻蚀时间为120 min时，铌酸锂表面刻蚀出了纵向高度为143.5 nm的锥形结构，此时在可见光范围内铌酸锂样片的峰值透射率为83.5%，相较于原片的透射率提高了约12.5个百分点。     

飞秒激光在钨表面制备二维周期复合结构的研究

通过控制飞秒激光脉冲分别在线偏振和角向偏振条件下的入射脉冲个数,在金属钨材料表面获得了周期性亚波长条纹和金属纳米线复合而成的新型微纳米结构。实验结果表明,线偏振激光脉冲诱导形成亚波长表面条纹结构的周期和脊面宽度随脉冲个数的增加而减小;在两种不同偏振情况下,飞秒激光脉冲在样品表面诱导形成的金属纳米线结构随激光脉冲个数的增加逐渐趋于消失,而形成微纳米结构的区域面积随激光脉冲个数逐渐增加而增大,并在飞秒激光脉冲个数为150时趋于不变。     

利用Ni纳米岛模板制备半极性晶面GaN纳米柱

报道了在GaN表面以Ni纳米岛结构作为模板,利用电感耦合等离子(ICP)刻蚀制备GaN纳米柱的研究结果。原子力显微镜(AFM)测试结果表明,金属Ni薄膜在快速热退火(RTA)作用下形成了平均直径和高度大约分别为325 nm和70 nm的纳米岛状结构。通过电子扫描显微镜(SEM)照片看出,以GaN表面所形成的Ni纳米岛作为模板图形,通过控制ICP刻蚀时间,在一定的刻蚀时间内(2 min)获得有序的并拥有半极性晶面的GaN纳米柱阵列。这种新颖的半极性GaN纳米柱作为氮化物量子阱或者超晶格结构的生长模板,可以有效减小甚至消除极化效应,提高光电子器件的效率和性能。     

图形化蓝宝石衬底工艺研究进展

图形化蓝宝石衬底(PSS)技术是一种提高LED亮度的新技术。结合光刻和刻蚀工艺制作图形化蓝宝石衬底。有关图形化蓝宝石衬底的研究主要集中在对光刻和刻蚀工艺的研究,以及图形化蓝宝石衬底提高LED亮度的机理。目前微米级图形化蓝宝石衬底已经得到普遍的应用,与基于平坦蓝宝石衬底的LED相比,PSS-LED的发光功率提高了30%左右。图形化蓝宝石衬底技术的发展经历了从早期的条纹状图形到目前应用较广的半球形和锥形图形,从湿法刻蚀到干法刻蚀,从微米级到纳米级图形的演变。由于能够显著提高LED亮度,纳米级图形化蓝宝石必将得到广泛的运用。     

氮化硅/氮化钛陶瓷多层膜纳米组织结构的场发射扫描电镜观察研究

将“高分辨二次电子成分衬度成像原理”与“离子束锥形刻蚀处理样品的方法”的相结合，利用高分辨场发射扫描电镜对室温下离子束辅助沉积制备的氮化硅／氮化钛陶瓷多层膜层厚及其纳米组织结构进行观察研究，清晰地观察到各层层厚及各层中的纳米粒子，这一方法为氮化硅／氮化钛陶瓷多层膜纳米结构与层间关系的研究提供了一种实用而有效的手段。     

ZnO纳米岛的MOCVD自组装生长

利用低压金属有机源气相沉积(LP-MOCVD)技术,在 (0001)蓝宝石衬底上生长ZnO纳米岛,发现在适当的生长条件下,可以生长出规则排列的纳米岛.实验发现随着生长时间的增加,在蓝宝石衬底上沉积的ZnO晶体颗粒无论是密度还是体积都在增加,并出现颗粒之间的交叠现象.与厚膜材料相比,相应的室温PL谱上显示出带边蓝移现象,随着生长温度的提高将大大增加ZnO在蓝宝石衬底上成核的困难.另外,所有样品的室温PL谱在带边附近均存在一个展宽峰,这可能是由表面态或晶体缺陷造成的.研究表明选择合适的生长时间与生长温度是利用MOCVD生长高质量ZnO纳米岛的关键因素之一.     

ZnO纳米岛的MOCVD自组装生长

利用低压金属有机源气相沉积 (L P- MOCVD)技术 ,在 (0 0 0 1 )蓝宝石衬底上生长 Zn O纳米岛 ,发现在适当的生长条件下 ,可以生长出规则排列的纳米岛 .实验发现随着生长时间的增加 ,在蓝宝石衬底上沉积的 Zn O晶体颗粒无论是密度还是体积都在增加 ,并出现颗粒之间的交叠现象 .与厚膜材料相比 ,相应的室温 PL 谱上显示出带边蓝移现象 ,随着生长温度的提高将大大增加 Zn O在蓝宝石衬底上成核的困难 .另外 ,所有样品的室温 PL 谱在带边附近均存在一个展宽峰 ,这可能是由表面态或晶体缺陷造成的 .研究表明选择合适的生长时间与生长温度是利用MOCVD生长高质     

离子束辅助低能碳离子注入工艺原理

离子束辅助低能碳离子注入是在低能含碳离子束轰击样品表面并沉积膜层的同时采用中能离子束辅助轰击注入，它可在低温下将碳离子注入到样品表层足够的深度，其注入深度比动态离子束混合(DIM)增加1～2倍。离子束流实行交替变化，有利于保持较低的样品基体温度，且比恒束流注入的深度有明显增加。它对材料表面改性效果明显优于DIM工艺，离子注入改性后，40Cr钢表面显微硬度HV可提高一倍左右。     

飞秒激光在6H-SiC表面诱导偏振依赖纳米结构特性研究

激光诱导偏振依赖纳米结构是一种有效实现纳米图案化的技术,并且一直备受研究者的青睐。利用飞秒激光微加工技术,对6H-SiC晶体表面激光诱导偏振依赖纳米结构特性进行了研究。通过改变入射激光加工偏振态和延迟时间样品表面诱导产生了直径约为150 nm的球形纳米颗粒、椭圆形纳米颗粒和空间周期约为150 nm的高空间频率表面条纹结构。实验结果表明,入射激光偏振特性会直接影响诱导产生的微结构形貌,并且优先入射的飞秒激光对最终产生的表面微结构形貌有决定性作用。初步探讨了偏振依赖纳米结构形成的物理机制,表面等离激元(surface plasmon polariton, SPP)在表面微纳米结构的产生过程中扮演着重要角色,研究结果对激光诱导表面周期结构(laser-induced periodic surface structures, LIPSS)可控制备具有重要意义。     

激光辐照硅、锗材料形成表面波纹的实验研究

用光学显微镜分别测量了1．06μm激光辐照硅、锗材料形成表面波纹的形貌特征。在激光辐照材料形成初始表面波纹之后，后继激光对最终波纹的增长起正反馈作用。当激光功率密度略大于材料损伤阈值时，材料表面呈现周期性的波纹结构；当激光功率密度远大于材料损伤阈值时，材料熔融区内出现无规则的随机分布波纹。激光辐照硅、锗材料产生的波纹结构与材料的性能、表面状况和实验中使用的激光参数密切相关。同时，分析了表面波纹结构对激光光束传输特性，以及激光与材料相互作用产生破坏效应的影响。     

Markers prepared by focus ion beam technique for nanopositioning procedures

Positioning on the nanometer scale with replaceable nanotools requires well defined positioning marks to restore the coordinate system with nanoscale accuracy. In this work we propose such patterns (references, markers) consisting of self-organized surfaces and hierarchic patterns written by the focus ion beam (FIB) technique. These patterns are realized either by a deposition of platinum or by cuts with different width, length, height and/or depth. The hierarchic patterns allow the use of automatic search routines for the recovery of the coordinate system on a sample surface. These patterns contain relative large markers for optical detection and are refined down to the nanoscale level. Finally, mesoscopic, self-organized features within these FIB written patterns enables an accurate positioning of the probe on the sample with nanoscale accuracy.     

Structural properties of alloyed Ti/Al/Ti/Au and Ti/Al/Mo/Au ohmic contacts to AlGaN/GaN

Two alloyed ohmic contact structures for AlGaN/GaN–Ti/Al/Ti/Au and Ti/Al/Mo/Au were studied. Both structures were optimized for minimum ohmic contact resistance. Structures grown on sapphire and SiC substrates were used to investigate structural properties of ohmic contacts to AlGaN/GaN. Ohmic contacts to AlGaN/GaN on SiC showed higher contact resistance values compared to contacts to AlGaN/GaN on sapphire. Ohmic contact metals were etched on samples after annealing. The alloyed interface was studied with backside illumination under an optical microscope. Alloyed inclusions associated with threading dislocations were observed on the surface. For the AlGaN/GaN on SiC sample the inclusion density was an order of magnitude lower than for the sample on sapphire. Conductive atomic force microscopy with carbon nanotube tip was used to investigate topography and conductivity profile of the surface after ohmic contact metal removal by etching.     

蓝宝石对532nm激光吸收率的实验测量

为了分析激光偏振化方向和激光入射角对激光吸收率、反射率和透过率的影响,采用量热法测量了蓝宝石对532nm线偏振光辐照下的反射率和透过率,并获得了相应的吸收率。比较实验中测得的反射率和理论计算值,发现两者变化趋势一致,证实了该试验方法的可行性。结果表明,垂直于入射面的反射率随入射角的增大而增大,平行于入射面的反射率则随入射角的增大逐渐减小,在入射角接近60时达到最小,然后急剧增大;在垂直和平行偏振光下,透过率均随着入射角增大而减小,吸收率则逐渐增大。该结果为激光加工蓝宝石时工艺参量的选择和优化提供了参考。     

Field Emission from Silicon Implanted with Carbon and Nitrogen Followed by Electron Beam Annealing

Field emission has been demonstrated from silicon that has been ion- implanted with carbon and nitrogen. Self-assembled silicon nanostructures were prepared as a template on the surface of wafer silicon, prior to multiple low-energy ion implantations. Following ion implantation, the original surface nanostructuring was lost. However, after electron beam annealing, self-assembled surface nanostructures were observed. Nuclear reaction analysis and Rutherford backscattering spectrometry indicated a Si_0.6C_0.1N_0.3 layer extending to a depth of ~120 nm. Electron emission was measured from the as-implanted and post-annealed samples. The implanted and annealed sample showed a low turn-on field of 10 V/μm compared with 44 V/μm for the as-implanted sample.     

激光主动侦察作用距离的研究

基于猫眼效应的激光主动侦察技术有效地结合了激光技术、成像传感技术和微弱目标的信息处理技术,可实现对远距离微弱目标的主动探测和识别,是光电对抗领域的一项重要技术,其中作用距离是侦察系统的主要参量之一。为了评估激光主动侦察系统的作用距离,以猫眼目标的光学窗口所反射的激光回波功率为基础,分析了影响作用距离的因素,建立了最大作用距离的数学物理模型,数值模拟了发射激光峰值功率、发射激光束散角、大气能见度、探测器灵敏度以及等效反射面离焦量对最大作用距离的影响。结果表明,通过减小发射激光束散角,提高探测器灵敏度可以有效提高系统的作用距离;为满足不同情况的天气需求,可选择不同波长的激光光源。这一结果可用于指导激光主动侦察的系统设计或者作为衡量系统性能的标准。     

Fabrication of sapphire rib waveguides using a femtosecond laser

We demonstrate a method for fabricating sapphire rib waveguides with femtosecond laser micromachining technology. Finite difference beam propagation method (FD-BPM) is applied to design sapphire rib waveguides. We explore the process of etching on a sapphire substrate surface via direct laser ablation. Rib waveguides that satisfies the dimensions of our design were fabricated. Actual light propagation performance is tested, and with the cut-back method, the insertion loss of 2.9±0.5 dB/cm is measured.     

离子波纹场纵向电场分量对离子波纹激光的影响

通过非线性数值模拟，研究了离子波纹激光（ＩＲＬ）中离子波纹场的纵向电场分量对束－波互作用的影响。结果表明，离子波纹场的纵向分量对ＩＲＬ的工作状况具有较大的影响。其中互作用长度的选择是非常重要的