Nanoscale crystallization of amorphous silicon films with a thin aluminum coating under irradiation with femtosecond laser pulses

Shuleiko D.V., Sokolovskaya O.I., Martyshov M.N., Serdobintsev A.A., Volkovoynova L.D., Venig S.B., Pakholchuk, P.P., Zabotnov, S.V., Kashkarov, P.K.

For Russian citation (Opticheskii Zhurnal):

Шулейко Д.В., Соколовская О.И., Мартышов М.Н., Сердобинцев A.A., Волковойнова Л.Д., Вениг С.Б., Пахольчук П.П., Заботнов С.В., Кашкаров П.К. Наномасштабная кристаллизация плёнок аморфного кремния с тонким алюминиевым покрытием при их облучении фемтосекундными лазерными импульсами // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 8. С. 57–66. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-08-57-66

Shuleiko D.V., Sokolovskaya O.I., Martyshov M.N., Serdobintsev A. A., Volkovoynova L.D., Venig S.B., Pakholchuk P.P., Zabotnov S.V., Kashkarov P.K. Nanoscale crystallization of amorphous silicon films with a thin aluminum coating under irradiation with femtosecond laser pulses [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 8. P. 57–66. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-08-57-66

For citation (Journal of Optical Technology):

Abstract:

Scope of research. Amorphous silicon films of 1 µm thickness with and without a 10–100 nm aluminum coating modified by femtosecond laser pulses in order to study and optimize the processes of near-surface layer partial crystallization. The purpose of the work is to describe a thin aluminum coating role in the laser radiation energy redistribution in a thin amorphous silicon film during its femtosecond laser modification. Methods. Pulsed femtosecond laser modification of thin films. Raman spectroscopy. Two-temperature model calculations of spatial and temporal temperature profiles in the studied structures. Main results. An aluminum coating layer 10–100 nm thick heated by a laser pulse is demonstrated to be a powerful surface heat source, creating a high temperature gradient along the depth of the a-Si film, which enables laser-induced crystallization of thin, up to 30 nm, nearsurface layers of amorphous silicon films. Practical significance. The results are useful for developing technologies for femtosecond laser crystallization of amorphous silicon films to a certain depth and the formation of a crystalline-amorphous silicon heterojunction.

Keywords:

femtosecond laser pulses, amorphous silicon, aluminum coating, laser crystallization, two-temperature model

Acknowledgements:

this study was funded by the Russian Science Foundation, Grant № 22-19-00035-П, https://rscf.ru/en/project/22-19-00035/

OCIS codes: 320.7130

References:

1. Zhan X.-P., Hou M.-Y., Ma F.-S. et al. Room temperature crystallization of amorphous silicon film by ultrashort femtosecond laser pulses // Opt. Laser Technol. 2019. V. 112. P. 363–367. DOI: 10.1016/j.optlastec.2018.11.031
2. Barmina E.V, Shafeev G.A. Solar cells based on laser-modified silicon // Phys. Wave Phenom. 2018. V. 26. № 2. P. 93–98. DOI: 10.3103/S1541308X18020036
3. Shuleiko D.V, Zabotnov S.V, Martyshov M.N. et al. Anisotropic femtosecond laser-induced modification of phosphorus- and boron-doped amorphous silicon // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2022. V. 86. № Suppl 1. P. S211–S215. DOI: 10.3103/S106287382270071X
4. Wang L., Eliceiri M., Deng Y. et al. Fast reversible phase change silicon for visible active photonics // Adv. Funct. Mater. 2020. V. 30. № 17. P. 1910784. DOI: 10.1002/adfm.201910784
5. Kanevce A., Metzger W.K. The role of amorphous silicon and tunneling in heterojunction with intrinsic thin layer (HIT) solar cells // J. Appl. Phys. 2009. V. 105. № 9. P. 094507. DOI: 10.1063/1.3106642
6. Yoshikawa K., Kawasaki H., Yoshida W. et al. Silicon heterojunction solar cell with interdigitated back contacts for a photoconversion efficiency over 26% // Nat. energy. 2017. V. 2. № 5. P. 1–8. DOI: 10.1038/nenergy.2017.32
7. Вейко В.П., Шахно Е.А., Яковлев Е.Б. Эффективное время термического воздействия сверхкоротких лазерных импульсов на диэлектрики // Квантовая электроника. 2014. Т. 44. № 4. С. 322–324.
Veiko V.P., Shakhno Е.А., Yakovlev E.B. Effective time of thermal effect of ultrashort laser pulses on dielectrics // Quantum Electron. 2014. V. 44. № 4. P. 322–324. DOI: 10.1070/QE2014v044n04ABEH015324
8. Kan Z., Zhu Q., Ren H., Shen M. Femtosecond laser-induced thermal transport in silicon with liquid cooling bath // Materials. 2019. V. 12. № 13. P. 2043. DOI: 10.3390/ma12132043
9. Farid N., Brunton A., Rumsby P. et al. Femtosecond laser-induced crystallization of amorphous silicon thin films under a thin molybdenum layer // ACS Appl. Mater. & Interfaces. 2021. V. 13. № 31. P. 37797–37808. DOI: 10.1021/acsami.1c07083
10. Wang H., Kalchev Y., Wang H. et al. Surface modification of NiTi alloy by ultrashort pulsed laser shock peening // Surf. Coat. Tech. 2020. V. 394. P. 125899. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.125899
11. Font F., Afkhami S., Kondic L. Substrate melting during laser heating of nanoscale metal films // Int. J. Heat Mass Transf. 2017. V. 113. P. 237–245. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer. 2017. 05.072
12. Денисова К.Н., Ильин А.С., Мартышов М.Н. и др. Влияние легирования на свойства аморфного гидрогенизированного кремния, облучённого фемтосекундными лазерными импульсами // Физика твердого тела. 2018. Т. 60. № 4. С. 637–640. DOI: 10.21883/FTT.2018.04.45669.034
Denisova K.N., Il’in A.S., Martyshov M.N. et al. Effect of doping on the properties of hydrogenated amorphous silicon irradiated with femtosecond laser pulses // Phys. Solid State. 2018. V. 60. P. 640–643. DOI: 10.1134/S1063783418040066
13. Vanderhaghen R., Hulin D., Cuzeau S., Fauchet P.M. Cooling of hot electrons in amorphous silicon // MRS Online Proceedings Library. 1997. V. 467. P. 245–250. DOI: 10.1557/PROC-467-245
14. Abouhussien Y., Miloshevsky G. Two-temperature model for predicting heating and melting in metallic and semiconductor materials irradiated by X-ray pulses // J. Appl. Phys. 2025. V. 137. № 105901. DOI: 10.1063/5.0250715
15. Чунаев Д.С., Замятин О.А., Карасик А.Я. и др. Двухфотонное поглощение в теллуритно-цинкатном стекле 70TeO2-30ZnO // Квантовая электроника. 2018. Т. 48. № 8. С. 715–716.
Chunaev, D.S., Zamyatin, O.A., Karasik, A.Y. et al. Twophoton absorption in zinc tellurite glass of composition 70TeO2–30ZnO // Quantum Electronics. 2018. V. 48. № 8. P. 715–716. DOI: 10.1070/QEL16594
16. Franta D., Nečas D., Zajíčková L. et al. Advanced modeling for optical characterization of amorphous hydrogenated silicon films // Thin Solid Films. 2013. V. 541. P. 12–16. DOI: 10.1016/j.tsf.2013.04.129
17. Choi T.Y., Hwang D.J., Grigoropoulos C.P. Ultrafast laser-induced crystallization of amorphous silicon films // Opt. Eng. 2003. V. 42. № 11. P. 3383–3388. DOI: 10.1117/1.1617312
18. Поляков Д.С., Шамова А.А., Шандыбина Г.Д. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. Часть 1. Поглощение излучения в твердых телах и теплофизика лазерного нагрева: учебное пособие. СПб.: Университет ИТМО, 2023. 100 c.
Polyakov D.S., Shamova A.A., Shandybina G.D. Interaction of laser radiation with matter. Part 1. Absorption of radiation by solids and thermophysics of laser heating: a textbook [in Russian]. St. Petersburg: ITMO University, 2023. 100 p.

19. Дюкин Р.В., Марциновский Г.А., Шандыбина Г.Д., Яковлев Е.Б. Электрофизические явления при фемтосекундных воздействиях лазерного излучения на полупроводники // Оптический журнал. 2011. Т. 78. № 2. C. 8–13.
Dyukin R.V., Martsinovskiĭ G.A., Shandybina G.D., Yakovlev E.B. Electrophysical phenomena accompanying femtosecond impacts of laser radiation on semiconductors // Journal of Optical Technology. 2011. V. 78. № 2. P. 88–92. DOI: 10.1364/JOT.78.000088
20. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела / 4-е изд. Перевод с англ. Гусева А.А., Пахнева А.В. / Под ред. Гусева А.А. М.: Наука, 1978. 790 с.
Kittel C. Introduction to solid-state physics / 8th ed. Hoboken, NJ: Wiley, 2004. 704 p.
21. Zeneli M., Nikolopoulos A., Karellas S., Nikolopoulos N. Numerical methods for solid-liquid phasechange problems / Ultra-high temperature thermal energy storage, transfer and conversion. Cambridge: Woodhead Publishing, 2021. P. 165–199. DOI: 10.1016/B978-0-12-819955-8.00007-7
22. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. М.: Наука, 1989. 432 c.
Samarskiy A. A., Gulin A.V. Numerical methods [in Russian]. Moscow: Nauka, 1989. 432 p.
23. Кузнецов Г.В., Шеремет М.А. Разностные методы решения задач теплопроводности. Томск: Изд-во ТПУ, 2007. 172 c.
Kuznetsov G.V., Sheremet M.A. Difference methods for solving thermal conductivity problems [in Russian]. Tomsk: TPU Publishing, 2007. 172 p.
24. Волковойнова Л.Д., Сердобинцев А.А. Оптимизация металл-индуцированной лазер-стимулированной кристаллизации пленок кремния на гибкой подложке путем варьирования толщины слоя алюминия // Физика твердого тела. 2023. Т. 65. № 12. С. 2177–2180. DOI: 10.61011/FTT.2023.12.56753.5004k
Volkovoynova L.D., Serdobintsev A.A. Optimization of metal-induced laser-stimulated crystallization of silicon films on a flexible substrate by varying the thickness of the aluminum layer // Phys. Solid State. 2023. V. 65. № 12. P. 2088–2091. DOI: 10.61011/
PSS.2023.12.57672.5004k