摘要
单晶硅作为一种重要的非金属元素单晶材料，导热性能好，长时间、高质量服役性能优异，广泛应用于MEMS、太阳能电池以及红外探测器等领域。其中，相关研究表明，表面具有微纳结构的单晶硅太阳能电池可以增强对光的吸收，提高电池转化效率。然而，单晶硅具有高脆性和低塑性的特点，属于典型的难加工材料。湿法刻蚀可实现单晶硅的高效加工，但是可控性低，工序较复杂。飞秒激光凭借峰值功率高、热影响区小等特性，在表面微纳结构的加工中表现出独特的优势，但将飞秒激光与湿法刻蚀两种方法相结合，在单晶硅表面制备复杂微细阵列结构的研究鲜有报道。 本研究提出利用飞秒激光在空气和去离子水中对单晶硅进行加工，然后采用KOH溶液对其进行湿法刻蚀，从而实现单晶硅表面微细阵列结构的加工，并对具有微细结构的单晶硅的光学性能(透过率、反射率和吸收率)以及表面特性(亲水性)进行了检测和分析。本论文的研究内容和结果对揭示不同环境下单晶硅的飞秒激光加工机理，获得飞秒激光湿法刻蚀后单晶硅表面形貌的变化规律，改善单晶硅表面的光学性能以及表面特性具有重要的意义。 本文首先采用推算法研究了单晶硅在空气和去离子水环境下的飞秒激光烧蚀阈值，并在两种环境下对单晶硅进行了单点烧蚀，分析了不同激光工艺参数下烧蚀微孔的形貌变化规律。采用EDS检测了在两种环境下经飞秒激光加工后单晶硅表面烧蚀区域的元素分布，其中去离子水环境下获得的烧蚀微孔周围SiO2含量更低。 其次，针对两种环境下获得的烧蚀微孔，研究了刻蚀温度以及KOH刻蚀液含量对单晶硅湿法刻蚀后形貌的影响规律，在刻蚀温度为80℃，刻蚀液质量分数为30％，并且引进超声的作用下，实现了光洁凹坑的湿法刻蚀。分析了烧蚀孔形貌随刻蚀时间增加的变化规律，并在10、11、12、13和14min时间内对不同激光功率、脉冲个数和离焦量下获得的烧蚀孔进行湿法刻蚀，研究了其形貌变化规律。同时对去离子水环境下获得的单晶硅烧蚀孔进行了湿法刻蚀，在激光功率为12.861mW时获得了较为完整的倒金字塔刻蚀凹坑。 最后，将单个倒金字塔刻蚀凹坑按照不同的间距加工成倒金字塔阵列，与未加工微结构的单晶硅相比较，倒金字塔阵列结构的单晶硅表面的反射率降低至5％以下，吸收率升高至95％以上。同时，在单晶硅表面加工了不同间距的沟槽阵列和方格阵列，经湿法刻蚀后获得了V型沟槽阵列以及正金字塔阵列。其中，V型沟槽阵列的反射率降低至5％以下，吸收率升高至95％以上;间距为30μm的V型沟槽阵列的单晶硅的接触角达到了4.556°，获得了超亲水表面。
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