激光干涉诱导Co在Si上动态图案化的纳米结构与微观结构

我们研究了在Si(001)衬底上沉积Co薄膜的同时进行纳秒激光辐照所产生的纳米结构与微观结构。利用原子力显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜的组合，研究了所得纳米图案的空间有序性、长度尺度及其晶体微观结构随薄膜厚度h和激光能量密度E的变化。根据所使用的激光能量密度，结果可分为两类。观察到熔化Co薄膜所需的厚度依赖能量密度E_{Co}低于Si的E_{Si}，主要原因是Si的反射率更高。因此，对于优先熔化Co薄膜的能量密度E_{Co}<E_{1}<E_{Si}，形成了空间有序的纳米颗粒，这归因于液相中的毛细驱动输运。有序长度尺度对应于干涉条纹间距\Lambda，微观结构主要为Co金属和富金属硅化物相。天然氧化层在最小化Co-Si反应中发挥了重要作用。对于激光能量密度E_{2}\geq E_{Si}，观察到周期长度尺度L<\Lambda的空间有序图案，这是由入射激光束与透射到Si衬底中的光束干涉产生的。这些纳米图案表现出纳米结构的一维和二维空间有序性。该激光能量范围内的微观结构以硅化物形成为主。这些结果表明，通过在薄膜生长过程中适当选择激光能量，可以形成从近乎纯金属到富硅硅化物相的各种纳米结构和微观结构。