УДК: 621.373.535

Влияние многоимпульсного воздействия на эволюцию микрорельефа кремния при лазерном фемтосекундном облучении

Гук И.В., Кузьмин Е.В., Шандыбина Г.Д., Яковлев Е.Б., Дюкин Р.В., Кулагин В.С.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Гук И.В., Кузьмин Е.В., Шандыбина Г.Д., Яковлев Е.Б., Дюкин Р.В., Кулагин В.С. Влияние многоимпульсного воздействия на эволюцию микрорельефа кремния при лазерном фемтосекундном облучении // Оптический журнал. 2017. Т. 84. № 7. С. 41–46.

Guk I.V., Kuzmin E.V., Shandybina G.D., Yakovlev E.B., Dyukin R.V., Kulagin V.S. Influence of multi-pulse action on the evolution of silicon microrelief under femtosecond laser irradiation [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2017. V. 84. № 7. P. 41–46.

Ссылка на англоязычную версию:

I. V. Guk, E. V. Kuz’min, G. D. Shandybina, E. B. Yakovlev, R. V. Dyukin, and V. S. Kulagin, "Influence of multi-pulse action on the evolution of silicon microrelief under femtosecond laser irradiation," Journal of Optical Technology. 84(7), 462-466 (2017). https://doi.org/10.1364/JOT.84.000462

Аннотация:

Представлены результаты численного моделирования процесса многоимпульсного фемтосекундного лазерного фотовозбуждения и нагрева монокристаллического кремния. Показано, что, начиная с некоторого уровня облученности при частотах следования импульсов 10–1000 Гц, структурные изменения поверхности, происходящие между импульсами, влияют на пространственно-временное распределение электронной плазмы в приповерхностном слое полупроводника в момент облучения последующим импульсом и, таким образом, накапливаются, формируя устойчивую поверхностную микроструктуру в облучаемой области. Предложен механизм формирования двумерного периодического микрорельефа на поверхности кремния, в основе которого лежит изменение типа возбуждаемой поверхностной электромагнитной волны с ростом числа облучающих фемтосекундных импульсов.

Ключевые слова:

фемтосекундные лазерные импульсы, монокристаллический кремний, лазерное микроструктурирование поверхности, поверхностный плазмонный резонанс, оптически слоистые структуры

Коды OCIS: 280.6680, 320.7120

Список источников:

1. Sugioka K., Cheng Y. Ultrafast lasers — reliable tools for advanced materials processing // Light: Science & Applications. 2014. V. 3. e149. P. 1–12.
2. Phillips K.C., Gandhi H.H., Mazur E., Sundaram S.K. Ultrafast laser processing of materials: A review // Advances in Optics and Photonics. 2015. V. 7. № 4. P. 684–712.

3. Gamaly E.G., Rapp L., Roppo V., Juodkazis S., Rode A.V. Generation of high energy density by fs-laser-induced confined microexplosion // New J. Phys. 2013. V. 15. P. 025018-1–19.
4. Derrien T.J.-Y., Itina T.E., Torres R., Sarnet T., Sentis M. Possible surface plasmon polariton excitation under femtosecond laser irradiation of silicon // Appl. Phys. 2013. V. 114. P. 083104-1–10.
5. Марциновский Г.А., Шандыбина Г.Д., Деменьтева Ю.С., Дюкин Р.В., Заботнов С.В., Головань Л.А., Кашкаров П.К. Возбуждение поверхностных электромагнитных волн в полупроводниках при фемтосекундном лазерном воздействии // ФТП. 2009. Т. 43. № 10. С. 1339–1345.
6. Varlamova O., Bounhalli M., Reif J. Influence of irradiation dose on laser-induced surface nanostructures on silicon // Appl. Surf. Sci. 2013. V. 278. P. 62–66.
7. Zhang W., Cheng G., Feng Q. Unclassical ripple patterns in single-crystal silicon produced by femtosecond laser irradiation // Appl. Surf. Sci. 2012. V. 263. P. 436–439.
8. Guillermin M., Garrelie F., Sanner N., Audouard E., Soder H. Single- and multi-pulse formation of surface structures under static femtosecond irradiation // Appl. Surf. Sci. 2007. V. 253. P. 8075–8079.
9. Sipe E.J., Young J.F., Preston J.S., van Driel H.M. Laser induced periodic surface structure. I. Theory // Phys. Rev. B. 1983. V. 2. P. 1141–1154.
10. Bonse J., Rosenfeld A., Kruger J. Femtosecond laser-induced periodic surface structures on silica // J. Appl. Phys. 2009. V. 106. P. 104910-1–6.
11. Ma Y., Si J., Sun X., Chen T., Hou X. Progressive evolution of silicon surface microstructures via femtosecond laser irradiation in ambient air // Appl. Surf. Sci. 2014. V. 313. P. 905–910.
12. Golosov E.V., Ionin A.A., Kolobov Y.R, Kudryashov S.I., Ligachev A.E., Makarov S.V., Novoselov Y.N., Selezne L.V., Sinitsyn D.V. Topological evolution of self-induced silicon nanogratings during prolonged femtosecond laser irradiation // Appl. Phis. A. Material Science & Processing. 2011. V. 104. P. 701–706.
13. Dyukin R.V., Martsinovskiy G.A., Sergaeva O.N., Shandybina G.D., Svirina V.V., Yakovlev E.B. Interaction of femtosecond laser pulses with solids: Eleсtron/phonon/plasmon dynamics // Laser Pulses — Theory, Technology, and Applications / Ed. by Peshko I. Rijeka: InTech, 2012. P. 197–218.
14. Guk I., Shandybina G., Yakovlev E. Influence of accumulation effects on heating of silicon surface by femtosecond laser pulses // Appl. Surf. Sci. 2015. V. 353. P. 851–855.
15. Гук И.В., Марциновский Г.А., Шандыбина Г.Д., Яковлев Е.Б. Моделирование поглощения фемтосекундного лазерного импульса кристаллическим кремнием // ФТП. 2013. Т. 47. № 12. 1642–1646.
16. Гук И.В., Шандыбина Г.Д., Яковлев Е.Б. Роль эффекта накопления тепла в многоимпульсных режимах лазерной фемтосекундной структуризации кремния // ФТП. 2016. Т. 50. № 5. С. 706–710.
17. Остапенко И.А., Заботнов С.В., Шандыбина Г.Д., Головань Л.А., Червяков А.В., Рябчиков Ю.В., Яковлев Е.Б. Тимошенко В.Ю., Кашкаров П.К. Микро- и наноструктурирование поверхности кристаллического кремния под действием фемтосекундных лазерных импульсов // Изв. РАН. Сер. физ. 2006. Т. 70. № 9. С. 1315–1317.
18. Снопок Б. А. Теория и практическое использование поверхностного плазмонного резонанса в аналитических целях // Теоретическая и экспериментальная химия. 2012. Т. 48. № 5. С. 265–285.
19. Либенсон М.Н. Лазерно-индуцированные оптические и термические процессы в конденсированных средах и их взаимное влияние. СПб.: Наука, 2007. 423 с.
20. Bonse J., Kruger J. Pulse number dependence of laser-induced periodic surface structures for femtosecond laser irradiation of silicon // Appl. Phys. 2010. V. 108. P. 034903-1–4.
21. Баженов В.В., Бонч-Бруевич А.М., Либенсон М.Н., Макин B.C. Интерференция поверхностных электромагнитных волн и периодические структуры, формирующиеся при воздействии света на поверхность полупроводника // Письма в ЖТФ. 1984. Т. 10. Вып. 24. С. 1520–1526.