導讀：你沒有看錯，激光清洗不僅(jin) 僅(jin) 是可以用來進行清洗！來自西安交通大學的學者利用激光清洗的辦法來輻照Si的表麵，不僅(jin) 僅(jin) 清洗了表麵沉積的氧化物，還實現了微納多尺度表麵結構的製備，使得Si表麵的抗反射性能進一步提高，這一成果發表在期刊《Applied Surface Science》上。

為(wei) 了滿足Si表麵超寬帶完美吸收可見紅外光的要求，急需一種綠色、高效和經濟的製造工藝以滿足在空氣中進行製備多尺度微納複合結構的需要。來自西安交通大學的研究人員為(wei) 大家展示一種利用激光清洗技術進行激光輻照的辦法在空氣中在Si表麵實現了多尺度微納抗反射複合結構（即高吸收率）。激光清洗技術 不僅(jin) 有效的去除了激光織構表麵上沉積的氧化物，還可以製備出小尺度的精細的微納結構。一個(ge) 創新的聚焦的橢圓形的光斑用來實現較大麵積的輻照和能量衰變 ，並連續多次采用激光清洗的辦法進行照射激光處理的表麵，進而可以解決(jue) 在清洗過程中產(chan) 生的新的氧化物沉積的問題。該工藝的效率可以提高4.8倍。在波長為(wei) 300到2500nm的範圍內(nei) ，平均反射率可以達到2.06%。實驗發現，在2.5 到 16 μm的波長範圍內(nei) ，Si對紅外光的吸收係數得到顯著的提升。 平均反射率降低到4.98%，對寬帶的抗反射率低於(yu) 6.6%。尤其是，在 2.5 到 10 μm的波長範圍內(nei) ，抗發射率低於(yu) 5.0%，平均發射率為(wei) 4.3%，這一數值是目前為(wei) 止公開報道的采用激光加工所獲得的最低數值。這一激光清洗輔助輻照的策略製備的抗反射結構將成為(wei) 將來光電器件製備的較為(wei) 理想的一個(ge) 選擇。

研究成果的Graphical abstract

成果背景

Si是在太陽能電池和光電探測器件中應用最為(wei) 重要的一種材料。在這些應用場合，在空氣—矽界麵處的高反射率則嚴(yan) 重阻礙了光的有效吸收，進而嚴(yan) 重的影響了這些器件的性能。因此，在Si表麵製備抗反射表麵就成為(wei) 業(ye) 界和研究學者們(men) 廣泛關(guan) 注的問題。自然界中生物體(ti) 表麵形成的微納結構具有性能優(you) 異的性質（黃金龜甲蟲是世界上最小和最迷人的透明生物之一，其長度僅(jin) 有5到8毫米，外形與(yu) 瓢蟲類似。可以自動改變自身的反射率），極大的激發了科學家們(men) 在Si表麵設計抗反射結構。目前已經有好幾種製備抗反射微納結構的手段，如化學蝕刻、電化學蝕刻、離子反應蝕刻、金屬顆粒支撐的等離子共振技術等。在過去的幾年裏，采用飛秒激光加工具有柔性好、加工操作簡單。可控性好等優(you) 點，而被認為(wei) 是最有前途的製備微納結構的手段，采用飛秒激光（fs laser）製備微納結構非常方便，從(cong) 而在很多領域得到了應用。黑色Si表麵在SF6和H2S氣體(ti) 的氛圍中可以采用飛秒激光成功地製備出圓錐形的微納表麵。並且采用飛秒激光還可以製備出微納結構的微槽。在可見光範圍內(nei) 反射被抑製，其黑色的表麵所擁有地發射率小於(yu) 5%。盡管如此，在近紅外光譜範圍內(nei) （0.78-2.5μm），其表麵反射率大約在10%左右。很少有報道指出在紅外光譜（> 2.5μm）時存在抗反射結構。對於(yu) 紅外波段範圍內(nei) 的光，很難在Si表麵將其抗反射率降低到20%以下。對於(yu) 工作在紅外波段範圍內(nei) 的紅外探頭、紅外熱成像儀(yi) 、光纖通訊器件等，製備出超低反射率的Si表麵是至關(guan) 重要的。總地來說，Si表麵的抗反射性能需要同時滿足寬帶和超低發射率的要求，還是麵臨(lin) 著巨大地挑戰。因此，在黑色Si表麵采用fs 激光製造超低反射率地寬帶表麵微納結構成為(wei) 前言研究領域和熱點話題。

黃金龜甲蟲 是自然界中可以自動改變反射率的一種生物

激光輻照用於(yu) 微納結構製備和在Si基材表麵進行沉積時的動力學示意圖

在采用激光在材料表麵進行輻照時經常會(hui) 沉積大量的粒子。如果激光加工是在空氣中進行的話，將會(hui) 在沉積的表麵生成大量的外來的氧化物顆粒。這些大量沉積的氧化物顆粒將對材料和Si的結構特征和性能產(chan) 生嚴(yan) 重的影響。大量的報道指出，采用飛秒激光在黑色的Si表麵誘導生成微納結構的工藝是在空氣中或者在真空中進行的。特殊的激光加工環境會(hui) 使得加工設備變得更為(wei) 複雜和增加加工成本，從(cong) 而反過來限製了采用激光在Si表麵誘導生成微納結構的應用。盡管Si表麵上生成的氧化物可以采用HF進行去除，但HF對人體(ti) 非常有害，而且廢棄的HF又是強汙染的物質。如何在Si表麵采用激光以一種綠色、高效、低成本的方式來製備出抗反射性能的表麵結構成為(wei) 一個(ge) 非常重要的話題。

a）激光輻照後的形貌以及Si表麵和b）激光織構的表麵采用HF蝕刻後的形貌

a）Si表麵在不同蝕刻時間後的化學成分，b）Si表麵抗反射的演化

激光清洗作為(wei) 一種綠色且環境友好的清洗工藝，正成為(wei) 一種新的表麵清潔技術而得到迅速的應用。在該技術應用時，激光能量選擇在可以破壞表麵的汙染物而不傷(shang) 害基材的門檻值範圍內(nei) ，從(cong) 而使得被清除物首先與(yu) 激光能量相接觸而生成氣體(ti) 、崩裂物和剝落物的形式而離開基材，並且不會(hui) 對基材造成損害。在本研究中，沉積在Si表麵的氧化物的能量閾值低於(yu) Si基材。因此，可以采用激光清洗技術來去除Si表麵覆蓋的沉積的氧化物。這樣，激光加工技術在Si表麵製備微納結構時所產(chan) 生的沉積的氧化物對Si性能和結構損傷(shang) 的問題就可以采用激光清洗技術來以一種綠色且經濟的方法來解決(jue) 。

采用圓形光斑進行激光清洗沉積的氧化物的示意圖

圖解：(a) Si表麵激光織構後得到的氧化物沉積的形貌； (b)–(c) 激光掃描速度為(wei) 15 和 10 mm/s時，激光清洗後Si表麵的形貌； (d) 製備的微納結構的抗反射效果測量數據； (e) Si表麵的化學成分分析

於(yu) 是，來自西安交通大學的研究團隊為(wei) 大家展示了一種經濟的製備多尺度微納結構的手段，該方法是通過在空氣中利用激光清洗技術來輔助輻照Si 表麵生成的沉積的氧化物，利用聚焦的橢圓形的光斑來實現較大麵積的輻照和能量的持續衰減來清洗表麵的沉積物。結果激光清洗技術不僅(jin) 清理了表麵的沉積物，同時還製備出小尺度的精細的微納結構。微納結構表麵不僅(jin) 提高了吸收率，同時還拓寬了可以吸收的光譜範圍。目前這一研究成果可以提供一種經濟、有效的手段在空氣中於(yu) Si表麵製備出寬帶的抗反射表麵結構。這對Si基太陽能電池和光電探測器件的應用十分有用。

采用橢圓形光斑進行激光清洗沉積的氧化物的示意圖

a” 當激光隨著時間開始向一特定區域進行時的輻照狀態圖“b”激光線掃描的脈衝(chong) 日期順序；“c”采用橢圓形光斑進行激光清洗氧化物沉積時的示意圖

圖解：(a)激光清洗工藝參數為(wei) 500 mW、 8 mm/s 掃描速度, 60 μm 掃描間距時得到的SEM圖； (b–c) 采用圓形激光光斑或橢圓形光斑進行激光清洗和不進行激光清洗時，在Si表麵進行激光織構的抗反射率和化學成分分析

研究成果的主要亮點：

•采用激光清洗技術進行輔助輻照的手段在Si表麵製備出微納結構；

•激光清洗技術可以去除表麵沉積的氧化物並誘導生成微納結構；

•采用聚焦的橢圓形光斑來解決(jue) 新生成的氧化物沉積的問題，激光清洗技術直接將其清除掉了；

•在光波長為(wei) 300到2600nm的範圍內(nei) ，平均抗反射率為(wei) 2.06%；

•Si表麵在對紅外光光波長為(wei) 2.5–16 μm時的吸收，得到了巨大的提高。

這一成果發表在表麵領域頂刊《Applied Surface Science》上。

文章來源：

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.145182，Multi-scale micro-nano structures prepared by laser cleaning assisted laser ablation for in ambient air，Applied Surface Science，Volume 509, 15 April 2020, 145182