清華新聞網(wǎng)9月30日電 近日，清華大學(xué)精密儀器系孫洪波、白本鋒教授團(tuán)隊(duì)研究提出了一種利用飛秒激光在半導(dǎo)體材料表面制備紅外超寬帶面源黑體的新方法。該方法利用飛秒激光與材料相互作用的能量負(fù)反饋機(jī)制和熱激發(fā)機(jī)制，首次實(shí)現(xiàn)了僅通過(guò)一步工藝即可在半導(dǎo)體材料表面穩(wěn)定制備跨尺度結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)深能級(jí)調(diào)控，使之成為具備超寬帶、耐高溫、高均勻、抗脫落特性的超高發(fā)射率面源黑體，能夠在高低溫等惡劣環(huán)境下提供穩(wěn)定的校準(zhǔn)精度，極大地拓展紅外探測(cè)的適用范圍。
黑體（Blackbody）是對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)定標(biāo)的關(guān)鍵部件，在天文學(xué)、光學(xué)和紅外熱輻射工程等領(lǐng)域有著重要而廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有技術(shù)制備的面源黑體存在發(fā)射率不夠高、帶寬有限、穩(wěn)定性和均勻性不夠好、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性差等問(wèn)題，嚴(yán)重影響紅外系統(tǒng)的定標(biāo)效果，限制著紅外探測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域。
孫洪波、白本鋒教授團(tuán)隊(duì)在對(duì)半導(dǎo)體表面的散射和吸收機(jī)制深入研究基礎(chǔ)上，提出一種基于超快激光的一步工藝方法，該方法利用飛秒激光與半導(dǎo)體材料相互作用過(guò)程中的能量負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)理和熱缺陷激發(fā)機(jī)制，能夠在激光束的掃描中同時(shí)實(shí)現(xiàn)材料表面錐形陣列跨尺度周期結(jié)構(gòu)的制備和對(duì)材料的深能級(jí)調(diào)控，從而在不引入任何其他材料或涂層的條件下，使半導(dǎo)體材料表面成為超寬帶、超高發(fā)射率的黑體，解決了傳統(tǒng)面源黑體涂層變性、脫落污染、均勻性和穩(wěn)定性差、壽命短等難題，為制備大面積、低成本、高可靠性、高性能的新型面源黑體提供了解決方案。
圖1.新型面源黑體的表面反射率抑制原理示意圖
具體而言，通過(guò)這種新工藝加工出的結(jié)構(gòu)是均勻覆蓋著200納米直徑納米顆粒的周期性微錐陣列。納米顆粒的存在能夠顯著抑制由折射率失配引起的菲涅爾反射，達(dá)到較低的表面反射率；周期性的微錐陣列具有很高的深寬比，起到“陷光”作用，使得表面反射率進(jìn)一步降低。在這兩種效應(yīng)協(xié)同作用下，對(duì)光的反射抑制能得到最大程度的強(qiáng)化，且對(duì)波長(zhǎng)不敏感，從而實(shí)現(xiàn)超寬波段極低反射率。
對(duì)于進(jìn)入材料內(nèi)部的光，強(qiáng)化吸收是關(guān)鍵。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了當(dāng)飛秒激光作用到材料表面后，劇烈的升溫和降溫會(huì)使晶格原子逸出形成高密度缺陷，進(jìn)而在材料表面引入深能級(jí)，這些單一能級(jí)上的電子躍遷到導(dǎo)帶，實(shí)現(xiàn)超寬帶的光吸收增強(qiáng)。
圖2.新型面源黑體的一步法制備工藝
這種由清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)的面源黑體生成原理和制備技術(shù)對(duì)于高性能面源黑體發(fā)展具有里程碑意義，解決了長(zhǎng)期制約面源黑體發(fā)展的涂層脫落、耐久性差等關(guān)鍵難題。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，這種面源黑體展現(xiàn)出了一系列先進(jìn)技術(shù)性能指標(biāo)：在3~14微米超寬紅外波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于98%的發(fā)射率，在0~70°寬角度入射下可實(shí)現(xiàn)近乎完美的寬帶光吸收；具有很好的溫度穩(wěn)定性，在超過(guò)900℃的高溫環(huán)境中工作仍能夠保證發(fā)射率的穩(wěn)定；具有很好的耐久性，通過(guò)老化試驗(yàn)表面可保證至少工作10年而發(fā)射率沒(méi)有明顯下降；具有很好機(jī)械穩(wěn)定性，能夠在至少20次、不同粘度的膠帶循環(huán)剝離實(shí)驗(yàn)中保持結(jié)構(gòu)完好且沒(méi)有明顯的發(fā)射率下降；具有很好的一致性，在60×60mm2的大面積樣品表面發(fā)射率均勻性偏差優(yōu)于0.25%，制備的多個(gè)樣品的性能可重復(fù)性偏差優(yōu)于0.15%。這些性能保證了這種新型面源黑體可在惡劣環(huán)境下的多種紅外應(yīng)用場(chǎng)合具有突出優(yōu)勢(shì)。
圖3.激光誘導(dǎo)硅材料中的缺陷態(tài)產(chǎn)生原理
圖4.黑體樣品的耐高溫性能、機(jī)械穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果
圖5.黑體樣品的大面積均勻性、可重復(fù)性測(cè)試結(jié)果
該研究工作展示了一種全新的面源黑體制備原理和技術(shù)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)紅外超寬帶高發(fā)射率、高穩(wěn)定性、高均勻性和長(zhǎng)壽命，同時(shí)具有高面源一致性，能夠在高低溫等惡劣環(huán)境下為紅外設(shè)備提供穩(wěn)定的校準(zhǔn)精度，極大地拓展了紅外探測(cè)的適用范圍。
研究成果以“超快激光誘導(dǎo)表面分層結(jié)構(gòu)及納米缺陷工程的超寬帶平面黑體”（Ultra-broadband Plane Blackbody by Ultrafast Laser Induced Surface Hierarchical Structuring and Nanodefect Engineering）為題，于9月20日在線(xiàn)發(fā)表于《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）。
清華大學(xué)精密儀器系和精密測(cè)試技術(shù)及儀器全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為該工作的第一完成單位。精密儀器系2022級(jí)博士生周鴻帥為論文第一作者，精密儀器系教授白本鋒、孫洪波和研究員郝小鵬為論文通訊作者。研究得到北京市自然科學(xué)基金和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202512727
供稿：精儀系
編輯：李華山
審核：郭玲
