激光干涉诱导电化学制造半导体纳米阵列结构研究

突破长径比可控、廉价、高速度和大面积的纳米阵列结构制造关键技术是解决纳米科技未来商品化的重要前提。本研究利用电化学技术的优势，弥补激光干涉制造技术的缺点，发展激光干涉诱导电化学制造半导体纳米阵列结构技术，解决纳米阵列结构制造的技术瓶颈。针对如下关键科学问题展开研究：基于Stern理论，建模分析电化学过程中的固液界面电荷输运机制及反应生成物在纳米尺度间隙中的扩散机制；结合SEM、AFM表征结果和实时数据，研究直接激光干涉光刻后蚀坑或蚀槽对电化学行为定域性作用的物理机制；同时，对液相中多光束激光干涉场定域性的机制及其对固液界面电荷状态的干扰和电化学行为的影响。本研究将形成激光干涉诱导电化学制造技术的新方向，丰富和完善激光诱导电化学理论的科学内容和体系，为长径比可控的快速、低成本和大面积纳米阵列结构制造的特定需求奠定理论和实验基础。

纳米尺度三维结构材料的制备及其在光子晶体中的应用是纳米光子学发展的关键。当前，微米尺度的三维结构材料已经在光电子领域得到广泛的研究和应用，但是针对纳米尺度三维结构材料，尤其是适用于紫外-可见波段的三维光子晶体结构材料的制备技术仍在探索中。本项目针对激光干涉表面改性、电化学刻蚀半导体材料、激光干涉诱导电化学制造纳米阵列结构、以及液相中激光干涉诱导定域刻蚀探索等工作。.在激光干涉直写和曝光方面，全面开展了多光束激光干涉的研究工作，设计了基于半导体激光器（405nm）的光纤分束光刻系统，获得了周期215nm，特征尺寸为63nm的光栅结构。研究了四光束干涉过程中偏振态干涉结果的影响；激光干涉直写获取微纳结构的表面呈现的疏水特性和表面结构化后的超吸收特性；六光束激光干涉光刻制备仿生蛾眼结构。.在电化学刻蚀InP研究方面，全面展开了电化学参数对刻蚀InP衬底片影响研究，发现了时间、温度、电流密度、InP衬底片的掺杂浓度对刻蚀结果影响的规律，建立了InP三维多孔结构形成的理论模型；发现了产生电化学振荡及影响其的电化学参数，并采用电流梯度渐变方式实现了电化学振荡的相对可控性，同时获得了纳米尺度完美有序三维多孔InP结构材料。此外，发现瞬间外界干扰不仅导致恒电流条件下的电势突变，同时还伴随着形成多孔结构的微区变化，为电化学振荡制备有序多孔阵列结构中制造缺陷提供了新方法。.在激光干涉曝光诱导电化学制造纳米阵列结构方面，发现诱导蚀坑在微米量级，难以形成定域刻蚀，也无法消除多孔结构顶层的无序孔结构。随着诱导蚀坑减小到200纳米后，不仅可以实现定域刻蚀，并且多孔结构顶层的无序孔结构消失。另外，在诱导刻蚀过程中，得到了多孔仿生蛾眼结构，其单眼最小可达到2-3微米，是蛾眼单眼的1/10。.总之，本项目利用电化学技术的优势，弥补激光干涉制造技术的缺点，发现诱导坑特征尺寸在~200nm具有良好的定域效应，并有助于消除顶层无序多孔结构，适于制备长径比可控的InP纳米多孔阵列结构，该方法还具有大面积、廉价、高速度等优点。同时，发现了电化学刻蚀InP过程中电化学振荡的行为规律，并首次实现了对该振荡的可控性，利用电化学振荡时间有序性与获得的阵列结构的空间有序性，获得了InP基三维纳米多孔阵列结构材料，为电化学途径制备紫外-可见光波段光子晶体提供了新方法，也形成激光干涉诱导电化学制造技术的新方向。.