Наномасштабная кристаллизация плёнок аморфного кремния с тонким алюминиевым покрытием при их облучении фемтосекундными лазерными импульсами

Шулейко Д.В., Соколовская О.И., Мартышов М.Н., Сердобинцев А.А., Волковойнова Л.Д., Вениг С.Б., Пахольчук П.П., Заботнов С.В., Кашкаров П.К.

Ссылка для цитирования:

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

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Плёнки аморфного кремния толщиной 1 мкм с алюминиевым покрытием толщинами 10–100 нм и без него, модифицируемые фемтосекундными лазерными импульсами с целью изучения и оптимизации процессов частичной кристаллизации приповерхностного слоя. Цель работы. Описание роли тонкого алюминиевого покрытия в перераспределении энергии лазерного излучения в тонкой плёнке аморфного кремния в процессе её фемтосекундной лазерной модификации. Методы. Модификация тонких плёнок фемтосекундными лазерными импульсами. Спектроскопия комбинационного рассеяния света. Расчёты пространственных и временныʹх профилей температур в исследуемых структурах с помощью двухтемпературной модели. Основные результаты. Показано, что слой алюминиевого покрытия толщиной 10-100 нм, нагреваемый лазерным импульсом, является мощным поверхностным источником тепла, создавая высокий градиент температуры по глубине плёнки a-Si, что позволяет осуществлять лазерно-индуцированную кристаллизацию тонких, до 30 нм, приповерхностных слоёв плёнок аморфного кремния. Практическая значимость. Результаты полезны для разработки технологий фемтосекундной лазерной кристаллизации плёнок аморфного кремния до определённой глубины и формирования гетероперехода «кристаллический — аморфный кремний».

Ключевые слова:

фемтосекундные лазерные импульсы, аморфный кремний, алюминиевое покрытие, лазерная кристаллизация, двухтемпературная модель

Благодарность:

исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (Грант РНФ № 22-19-00035-П) https://rscf.ru/en/project/22-19-00035/

Коды OCIS: 320.7130

Список источников:

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