大面积蓝宝石微纳结构的超快激光制备研究
蓝宝石晶体具有从紫外到中红外的宽光谱高透过率、超高硬度、良好的化学稳定性和热稳定性，通常作为窗口材料和衬底被广泛应用在军事、航天和半导体等重要领域中。通过在其表面制备微纳结构能够进一步调控蓝宝石光电器件的性能。然而，由于蓝宝石的高稳定性导致传统加工技术对其进行微纳加工较为困难，限制了蓝宝石微纳光电器件的进一步发展。例如，机械加工难以制备微纳尺度的结构，而且可加工的材料比较受限；平面刻蚀工艺面临无法制备复杂形貌的结构、刻蚀速率较慢以及无法制备高深宽比微纳结构等问题。飞秒激光加工作为一种高精度、高强度、无掩模的先进微纳加工技术被广泛应用在微电子、微光学和微传感等领域。飞秒激光在蓝宝石微纳结构制备方面具有巨大的应用潜力，然而目前飞秒激光加工蓝宝石的工作主要围绕激光与蓝宝石晶体相互作用机理的研究和功能性微器件的制备，面向应用层面的大面积蓝宝石微纳结构的制备研究较少。其主要原因是常规激光加工工艺在加工过程中由于损伤结构和碎屑堆积影响后续激光能量的注入，导致无法实现高深宽比和大面积完整微纳结构的高效制备，这严重影响了蓝宝石功能性微纳表面的发展。 基于大面积蓝宝石功能性微纳表面的制备需求，本论文提出基于像差的飞秒激光自调制加工技术，解决了常规激光加工过程中因损伤结构和碎屑堆积导致高深宽比和大面积完整微纳结构难以制备的问题。在此基础上，结合湿法刻蚀工艺，我们大幅提高了激光诱导表面周期性结构的深度，制备了大面积高深宽比的纳米光栅结构；提高了激光直写微结构的深度和效率，制备了大面积蓝宝石亚波长减反射阵列结构；实现了图案化蓝宝石衬底，证实了在激光加工制备的PSS上能够实现高质量GaN薄膜的生长。具体研究成果如下： 1、基于像差的飞秒激光自调制加工技术 针对在蓝宝石表面常规激光加工过程中因损伤结构和碎屑堆积影响激光能量注入，难以实现大面积结构完整制备和高深度结构制备的问题，本论文提出基于像差的飞秒激光自调制加工技术，结合湿法刻蚀工艺，成功地在蓝宝石表面制备了各种大面积深度可控的微纳结构。该技术能够充分发挥聚焦光斑的纵向长度，有效的增大了制备结构的深度，相比常规加工方式，自调制加工技术制备的微结构深度可提升8倍；该技术能够避免加工时表面损伤和碎屑对后续激光能量的影响，保证了激光加工制备大面积蓝宝石微结构的完整性。此外，验证了激光自调制加工技术在制备高数值孔径微透镜方面的可行性。该技术不仅为激光加工透明材料高深宽比微纳结构提供了新的思路，而且为后续制备大面积功能性蓝宝石微纳表面提供了技术支撑。 2、飞秒激光诱导加工制备高深宽比蓝宝石周期性纳米结构 针对激光诱导表面周期性纳米结构深度普遍较浅且难以调控的问题，我们利用激光自调制诱导加工结合湿法刻蚀技术实现了最大深宽比为55、且深宽比可调的蓝宝石周期性纳米条纹结构。自调制加工技术避免了大面积结构加工过程中碎屑积累的影响，成功制备了直径为4cm的蓝宝石周期性纳米条纹结构。作为概念验证，高深宽比的纳米条纹结构作为光栅相比于深度较浅的光栅展现了更高的衍射效率。我们使用激光诱导加工技术在蓝宝石表面制备了高深宽比周期性纳米条纹结构，解决了激光诱导表面周期性纳米结构深度较浅的问题，为飞秒激光加工制备高质量透明材料纳米结构的发展起到了推动作用。 3、飞秒激光直写加工制备蓝宝石高透过率中红外窗口 我们利用激光自调制直写加工技术结合湿法刻蚀工艺解决了蓝宝石亚波长减反射微结构难以高效且完整地制备的问题。加工效率可提升100倍，成功制备了厘米尺寸的蓝宝石亚波长减反射金字塔阵列结构，具有单面减反射结构的蓝宝石在中红外波段的透过率可达94%，双面减反射结构透过率可达98%，而且在大角度（≤60°）入射时依然能保持良好的减反射效果。另外，激光自调制直写加工技术具备在曲面上制备减反射结构的能力。蓝宝石减反射微结构具有高结构强度，克服了镀膜增透因强度不足导致薄膜损坏甚至脱落的问题，在红外制导领域具有重要的应用价值。 4、飞秒激光加工制备用于GaN薄膜外延生长的图形化蓝宝石衬底 针对图形化蓝宝石衬底的制造面临的流程复杂、图形设计不够灵活等问题，我们利用飞秒激光加工技术制备图形化蓝宝石衬底，具有高精度、无掩模和结构设计灵活等技术优势。通过诱导和直写的加工模式分别制备了周期在纳米和微米尺度的图形化蓝宝石衬底，利用刻蚀或机械抛光等后处理工艺解决了激光加工制备的图形化衬底表面粗糙度较高的问题。利用金属有机化学气相沉积工艺成功在制备的图形化衬底表面外延生长出GaN晶体薄膜，其晶体质量高于在平面蓝宝石衬底上生长的GaN薄膜。激光加工的图形化蓝宝石衬底在生长高质量GaN外延薄膜方面潜力巨大，同时也进一步拓展了飞秒激光加工蓝宝石功能表面的应用领域。 综上所述，本论文提出了飞秒激光自调制加工技术，在保证加工精度的同时，实现了加工深结构和完整大面积微结构的突破，对于透明蓝宝石晶体表面微结构的高效制备具有重要意义。此外本论文立足蓝宝石材料，面向其光学窗口和外延衬底等方面的应用，利用激光加工的手段，实现了包括高透过蓝宝石红外窗口和高质量图形化蓝宝石衬底等多种大面积蓝宝石功能表面，为飞秒激光加工制备蓝宝石微纳结构的实用化提供了新的技术方案。
飞秒激光加工;蓝宝石;微纳结构;湿法刻蚀;碎屑堆积
吉林大学
博士
物理电子学
夏虹
2023
中文
O786;TN249
2023-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）