离子束辐照微纳米结构模式演变研究及性能分析

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微纳结构功能表面研究是表面工程领域的热点方向。本文通过在区熔硅表面构筑微纳结构能够有效改善其表面透射率、浸润性,拓展其在长波红外领域的应用。本文基于薄膜增透理论及等效介质理论计算出硅表面微纳结构的几何参数,然后在此基础上通过有限元仿真对上述结构建立了光学模型并进行了模拟;基于浸润性理论建立了数学模型;通过自由基等离子体源(Radical Plasma Source,RPS)刻蚀技术和低能离子束刻蚀技术,在硅表面完成兼具减反、疏水功能微纳复合结构的制备。具体研究内容如下:(1)通过有限元仿真建立微纳结构模型,研究了不同形貌、几何参数(周期、高度、占空比)对其光学性能的影响规律。模拟结果表明:微米结构的周期是实现减反效果的重要因素;当微米结构的周期和高度固定时,可通过调控高度实现某一波段的减反效果;梯形微米结构的减反效果优于锥形、方柱形微米结构;在红外波段纳米结构的无明显的减反效果。建立了浸润性数学模型,探究了微米结构的几何参数对其浸润性能的影响规律,得到了如下结论:微米结构的接触角随周期的增大而减小,微米结构的接触角随高度的增加而增加,微米结构的接触角随占空比增大而减小。(2)采用RPS自由基刻蚀技术在具有光刻胶掩膜的硅表面制备微米结构,系统研究了刻蚀时间对硅表面微米结构的影响,得到了微米结构几何尺寸随时间的演变特性,获得了微米结构制备工艺参数。结果表明:在其他工艺参数固定时,随着刻蚀时间的增大,获得的微米结构高度就越大,微米结构的侧壁角度基本不变,微米结构底部宽度呈减小趋势,微米结构周期基本无影响。(3)利用低能离子束刻蚀技术在硅表面制备纳米结构,主要研究了不同离子束束流,不同离子束能量工艺参数下的硅表面纳米结构形貌演变规律,获得了高纵横比纳米结构的制备工艺参数。结果表明:提高离子束束流会在一定程度上提高其纳米结构的高度和有序性。增大离子束入射角度,纳米结构的高度呈现出增加的趋势。(4)在微米结构、纳米结构实验基础上,进行了微纳复合结构的制备实验,对制备的微米结构、纳米结构、微纳复合结构进行了透射率、润湿性测试。结果表明:微纳复合结构的接触角大于仅有微米结构、纳米结构的接触角,验证了模型的有效性,表明微纳米结构的存在对硅表面的疏水性有提升的效果;在长波红外波段,微纳复合结构的透射率略大于微米结构透射率;纳米结构无明显减反效果。
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