Modification of Optical Properties of Surface Layers and Thin Films by Laser Treatment

Abstract

Еліпсометричним методом досліджено оптичну провідність кремнієвої пластини, модифікованої фемтосекундним лазерним опроміненням, а також вплив лазерної обробки на оптичні властивості поверхневих шарів швидкозагартованих багатокомпонентних стрічок сплаву. Зразки наноструктурованого кремнію у вигляді окремих комірок було сформовано на монокристалічних кремнієвих пластинах методом лазерної абляції. Режими сканування лазерного променю забезпечують синтез у повітряній атмосфері наноструктурованих частинок діоксину кремнію та кремнієвих наночастинок. Встановлено, що еліпсометричні параметри та оптична провідність σ комірок наноструктурованого кремнію суттєво відрізняються для двох орієнтацій комірки відносно p-напрямку зразка. Це означає, що сформовані кремнієві наноструктури мають суттєву оптичну анізотропію внаслідок деформаційного впливу лазерної абляції та виникнення пружних напружень в поверхневому шарі наноструктурованого кремнію. Для ділянок кремнію, які не опромінювались лазером і розташовані між комірками наноструктурованого кремнію, оптичної анізотропії не виявлено. Отримані залежності оптичної провідності σ швидкозагартованих багатокомпонентних стрічок сплаву від енергії лазерного імпульсу E та кількості імпульсів N є немонотонними і досягають мінімуму при певних значеннях E та N. Така поведінка σ під час першого етапу лазерної обробки пов’язана з так званим ефектом "лазерної вітрифікації" внаслідок додаткового атомного розупорядкування поверхневих шарів стрічок, які не є повністю аморфними у вихідному стані, а містять деяку кількість кристалічної фази. Під час другого етапу такої обробки наявна аморфна структура продовжувала формуватись і релаксувати в поверхневому шарі. На третьому етапі лазерної теплової дії спостерігався відпал поверхні стрічки за рахунок досягнення достатньої дози лазерного випромінювання, що призводить до утворення кристалічної фази і, отже, до збільшення σ.

Optical conductivity of silicon wafer modified by femtosecond laser irradiation as well as an effect of laser treatment on the optical properties of surface layers of rapidly quenched multicomponent alloy ribbons have been investigated by ellipsometry. The samples of the nanostructured silicon as isolated cells were formed on the single crystal silicon wafers by method of laser ablation. Laser beam scanning modes provide in air atmosphere the synthesis of nanostructured silicon dioxide particles as well as silicon nanoparticles. It was established that ellipsometric parameters and optical conductivity σ of the cells of the nanostructured silicon are significantlly changes for two cell orientations relatively p-direction of the sample. This means that the formed silicon nanostructures possess essential optical anisotropy as a result of a deformation influence of laser ablation and an appearance of elastic stresses within the surface layer of the nanostructured silicon. The optical anisotropy was not found for silicon areas which were not subjected to laser action and located between the cells of the nanostructured silicon. The obtained variations of the optical conductivity σ of rapidly quenched multicomponent alloy ribbons as functions of laser pulse energy E as well as a number of pulses N are nonmonotonic and reach a minimum at certain E and N values. Such behavior of their σ during the first phase of laser treatment is related to the so-called "laser-induced vitrification" effect owing to additional atomic disordering of the surface layers of ribbons which are not completely amorphous in the initial state but contain some amount of a crystalline phase. Then during the second phase of such treatment the current amorphous structure was continued to be formed and relaxed within surface layer. At the third phase of laser heat action the annealing of the surface ribbon was observed due to reaching some sufficient laser radiation dose which leads to the formation of the crystalline phase and, therefore, to an increase in σ.