[发明专利]基于激光照射不同材料对表面微结构成型影响的研究方法

说明书

基于激光照射不同材料对表面微结构成型影响的研究方法，其按如下步骤：步骤一：利用飞秒激光照射硅基板，硅基板形成表面凸起；步骤二：基于相场模型理论，构建数学模型，对硅基板凸起成型实验进行仿真分析；步骤三：选取导热系数不同的其他材料基板，重复步骤一及步骤二，获得不同材料基板凸起成型的规律。本发明利用飞秒激光照射硅基板产生表面凸起，并使用三维数值模型，即相场法去模拟和预测激光成型硅基表面形态，进而提出一种发明思路，飞秒激光照射其它材料形成的凸起是否符合相同的成型规律。

技术领域

本发明属于微纳米制造技术领域，具体涉及一种利用飞秒激光控制硅基板及其它材料表面凸起成型的研究方法。

背景技术

基于微纳米结构加工制造技术制造的微机械谐振器是一类非常重要的谐振器，其具有成本低廉、功耗小、高灵敏度和分辨率等一系列优点，大量的应用于加速度传感器、微光机电系统、无线通讯和微机械陀螺等技术领域。

硅是制造各种硅微机械谐振器的重要材料，它成型技术的多样性也就凸显其日益重要。在硅基板上制造出尺寸在微纳米级的三维微结构，完成对外界各种信息的感知，即可以形成一个微型传感器系统。一直以来，各个学科领域一直努力探索新的制造方法来控制特定的硅基板凸起的成型，进而能应用到微机械系统中。目前，与材料加工相关的一些实验性研究成果对形态变化规律分析大多存在不足，对其形变复杂运动机理无法给出合理的解释，以及加工实验中装置的设置，庞大的时间和资金要求都制约着其进一步发展和研究。为了更准确地把握在此过程中微米材料的形态变化规律，必须进一步理解利用激光热处理来完成此加工过程的理论机制。

飞秒激光可用于微纳米级的硅基材料的成型，在该领域有着非常重要的地位。利用飞秒激光来成型硅表面结构具有很大的难度，在该过程中涉及多种物理化学机理，这方面国内外的研究者还停留在实验的领域内，例如改变飞秒激光的波长λ和激光偏振角θ来研究硅基表面的成型；有些学者提出利用数值模拟仿真来模拟具体的成型过程，研究表明，飞秒激光成型硅基表面的过程可以简化为一维或者二维的温度场模型来模拟，为建立具体的数学模型模拟建立了基础。

而目前没有出现基于相场模型下不同材料表面凸起成型的研究方法。

发明内容

基于上述目的，本发明公开了一种基于激光照射不同材料对表面微结构成型影响的研究方法。

本发明采取如下技术方案：

基于激光照射不同材料对表面微结构成型影响的研究方法，其如下步骤：

步骤一：利用飞秒激光照射硅基板，硅基板形成表面凸起；

步骤二：基于相场模型理论，构建数学模型，对硅基板凸起成型实验进行仿真分析；

步骤三：选取导热系数不同的其他材料基板，重复步骤一及步骤二，获得不同材料基板凸起成型的规律，从而可以观察是否符合和硅基板相同的凸起成型规律。

优选的，步骤一：将硅基板一端固定，呈悬臂梁状态；利用飞秒激光照射硅基板的自由端中部，短暂时间后，形成表面凸起；关闭激光脉冲发射器，利用原子力显微镜(AFM)观察凸起的形貌特征，并测量凸起的长径比。

优选的，步骤二：基于相场模型的理论，构建模型，对硅基板凸起成型实验进行仿真分析，并求解数学模型。

步骤三选取其他导热系数不同的材料基板替代步骤一的硅基板，而后重复步骤一及步骤二。优选的，步骤三：选取导热系数K较高的材料，重复步骤一至二，观察是否符合相同的凸起成型规律；选取导热系数K较低的材料，重复步骤一至二，观察是否符合相同的凸起成型规律。

优选的，使用半隐式傅里叶谱等计算方法求解相场数学模型。

使用半隐式傅里叶谱、半隐式向后差分公式等计算方法来推到硅相的运动方程，在模型中采用无量纲参数，避免不同的出事参数单位对最终仿真结果的影响。考虑硅原子的迁移率，改写(3)式：