液体中激光与硅的相互作用及形成的特异硅结构研究

申请人前期的研究表明，准分子激光在水中辐照硅时能够导致如下的几个效应：在硅表面形成微米尺度的、自组织的、规则的六方硅点阵结构或微米-亚微米尺度的海绵状高度多孔结构；在液体中能形成高度分散、均匀的、尺度在3纳米左右的晶态及非晶态硅量子点，该量子点能出现强烈的光致蓝光发射。这些研究表明在液体中用激光辐照固体能产生特异的物理和化学条件，导致某些特异硅结构的产生。本项目将继续以上的研究并阐明其中的物理机制，以实现对点阵周期、多孔结构以及硅量子点尺寸、结晶态等的控制，研究所得到多孔硅表面结构以及硅量子点的光学及光电性质；并将在液体中引入含硫化学物质，以探索由此所导致的硅硫之间的表面化学反应形成黑硅的可能性和条件。考虑到激光在液体中辐照硅时在硅表面所形成的特异高温、高压及超高淬火速率条件，这些研究可能导致新的硅物相的发现。

本项目研究了准分子激光(波长为248nm、脉冲宽度为30ns)在水溶液及真空中辐照硅及其薄膜等所发生的物理化学效应及其可能的应用。主要研究结果有如下四个方面。（1）发现激光辐照在硅表面能形成相当规则的六方点阵结构，该结构不能在真空和气体中形成，对这种结构的形成过程进行了实验研究，理论上提出表面的Rayleigh-Taylor失稳是这种结构的形成机制；（2）发现激光能在单晶硅表面以及硅薄膜中形成海绵状的多孔结构，研究了该结构的形成过程，说明该结构的形成机制同样可以用上述的Rayleigh-Taylor失稳来解释；（3）液体中激光烧蚀能在液体中形成硅纳米颗粒和量子点，发现液体的高度对颗粒的大小及分散性有显著的影响，阐明了其中纳米颗粒形成过程所涉及的物理机制，特别是提出影响纳米颗粒成核及生长的气泡动力学机制，发现了晶态硅纳米棒的高强度和长时间蓝光发射现象以及非晶态硅量子点的缺乏光致发光现象，提出所得到的硅量子点可能具有六配位的金属硅结构而非通常的四配位半导体硅结构；(4)研究了在真空或气氛环境中激光烧蚀固体表面所导致的尖锥结构的形成机制问题，实验揭示了应力在尖锥体的形成中的作用，提出应力作用下的蒸发和烧蚀是尖锥体形成的基本机制，即所谓的Asaro-Tiller-Grinfeld(ATG)失稳机制。