纳米|大气环境下采用激光清洗辅助激光烧蚀在宽带超低反射率的硅表面制备多尺度微纳结构 mms|探测器|太阳能电池

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江苏激光联盟导读：
本文提出了一种简单经济的方法，通过激光清洗辅助飞秒激光烧蚀在环境空气中的硅表面来制造多尺度的微纳米复合结构。

摘要
为了实现硅表面对可见光-红外光的超宽带完美吸收，提出了一种绿色、高效、经济的环境空气中多尺度微纳复合结构的制备方法。实验证明了激光清洗辅助飞秒激光消融制备增透结构的可行性。激光清洗技术不仅能有效地消除激光纹理表面的氧化物沉积，还能制造出小尺寸的微细结构和纳米结构。创新性地利用聚焦椭圆激光光斑实现激光处理表面大面积、能量连续衰减的多次激光清洗，解决了清洗过程中产生新的氧化物沉积的问题。加工效率也提高了4.8倍。在300 ~ 2500 nm范围内，平均反射率达到2.06% 。通过实验实现了硅在2.5 ~ 16 μm范围内红外吸收的显著增强。当宽带反射率低于6.6%时，平均反射率降低到4.98% 。特别是在2.5 ~ 10 μm范围内，获得了低于5.0%的反射率，平均反射率为4.3% ，这是迄今为止激光加工技术报道的最少的。这种抗反射结构的设计策略是未来光电器件的理想选择。
1. 介绍
硅是硅基太阳能电池和光电子探测器中应用最重要的材料之一。在这些应用中，空气-硅界面的高反射会阻碍有效的光收集，并极大地影响性能。因此，增反射硅表面具有广泛的应用前景。自然通常会生产出具有有用特性的微纳米结构表面，这也启发了试图设计减反射Si表面的科学家。目前制备增反射微纳米结构的技术主要有化学蚀刻、电化学蚀刻、反应离子蚀刻和金属纳米颗粒等。在过去的几年里，飞秒激光加工由于其灵活性、简单性和可控性，在创造各种类型的微纳米结构方面被证明是一种有前景的方法，并适用于广泛的应用领域。 Mazur等人研究了fs激光在SF6和H2S气体存在下制备的具有圆锥形结构的黑色Si表面， Vorobyev也研究了fs激光制备的纳米结构微沟槽。反射损失已被抑制在可见区域，和黑色表面的反射率小于5% 。然而，表面在近红外光谱(0.78-2.5 μm)上的反射率保持在10%左右。
在红外波长(2.5 μm以上)下工作的减反射结构很少有报道。在红外范围内，要将硅表面反射率降低到20%以下一直是一个难题。对于红外波长应用，如红外探测器，红外热成像，光纤通信，超低反射率的Si表面是理想的。总的来说，在满足宽频带效率和超低反射率要求的硅表面上的增反射性能仍然是一个巨大的挑战。因此，利用fs激光制备宽频带超低反射率黑色硅表面一直是研究的前沿和热点问题。
在激光辐照下，烧蚀区周围的材料表面产生了大量的沉积颗粒。如果加工环境是在环境空气中，大量的外来氧气物种被纳入沉积的粒子。氧化硅的沉积对硅的材料和结构特性有一定的影响。目前关于fs激光诱导黑硅的报道大多是在环境气体或真空中进行的。特殊的激光加工环境使设备更加复杂，增加了加工成本，限制了激光诱导黑硅法的应用。虽然氢氟酸可以消除硅氧化物的沉积，但氢氟酸对人体非常有害，废酸溶液具有很强的污染。如何以绿色、高效、低成本的方式利用激光加工出具有织构的Si表面，提高其抗反射性能，成为一个重要的问题。
激光清洗作为一种绿色环保的清洗方法，已成为一种新的表面处理技术，在许多领域得到了大规模应用。在这项技术中，污染物的激光烧蚀阈值小于大块材料，因此污染物可以先达到材料的烧蚀阈值，然后通过气化、破碎和剥离去除，从而实现在不损坏大块材料的情况下去除污染物的过程。在本研究中，氧化硅沉积的烧蚀阈值小于硅材料。因此，激光清洗技术的原理被用于去除覆盖有纹理结构的硅表面的氧化物沉积。可以以绿色、经济的方式解决激光加工织构硅表面时由于表面氧化而导致的应用性能下降问题。