纳米|大气环境下采用激光清洗辅助激光烧蚀在宽带超低反射率的硅表面制备多尺度微纳结构( 四 ) mms|探测器|太阳能电池

图S1 (a-e)不同激光扫描速度下激光直写工艺在激光织化硅表面沉积的氧化硅表面形貌的SEM图像。默认激光注量为0.16 J/cm2 ，扫描间距为10 um 。

图S2 (a-e)不同激光扫描速度下激光直写工艺在激光织化硅表面沉积的氧化硅表面形貌的SEM图像。 (f-j)激光织构硅上硅氧化物沉积截面中包含的O K和Si K的元素映射。所有比例尺等于500nm 。默认激光注量为0.16 J/cm2 ，扫描间距为10 um 。

图4 用圆点激光清洗氧化沉积示意图。
图S3显示了不同激光扫描速度下激光清洗表面形貌的演变过程。当激光扫描速度为15 mm/s时，光点重叠数很小，没有足够的激光能量来烧蚀。因此，如图S3a所示，部分絮凝沉积的二氧化硅被熔融固化在材料表面。材料表面形成了大量的纳米和微细结构。材料表面颜色在自然光下由土坯棕色变为灰色，肉眼可见(见图5a-b) 。随着扫描速度的降低，单位面积入射能量的增加，材料表面发生了显著的变化(见图S3b) 。对絮凝二氧化硅沉积进行烧蚀，并在材料表面形成微结构。同时，研究发现硅表面覆盖了一层纳米级絮凝结构。肉眼看，材料表面颜色由灰色变为黑色(见图5b-c) 。随着扫描速度的不断降低，材料表面的烧蚀现象发生了明显的变化。如图S3c所示，硅表面产生了明显的微观结构，并被大量不同尺寸的颗粒所覆盖。

图S3 (a b c)激光扫描速度分别为15、10和5 mm/s的激光清洗表面结构形貌的SEM图像。

图5 (a)激光纹理Si表面氧化沉积的照片。 (b) - (c)用激光扫描速度分别为15和10 mm/s的激光清洗Si表面的照片。 (d)微纳结构的表面反射率。 (e)硅表面的化学成分分析。
从图S3b-c中可以看出，激光清洗技术不仅消除了材料表面的氧化物沉积，而且在规整排列的四棱柱形微结构表面上，还制造出了具有大量纳米粒子和精细微观结构的多尺度结构。图5d为激光清洗辅助下不同激光扫描速度下激光织化Si表面的实验反射光谱。激光清洗去除絮凝二氧化硅后，硅表面反射率显著降低。当激光清洗速度为5和10 mm/s时，硅材料的平均反射率分别下降到6.2%和5.3% 。明显优于HF腐蚀后的平均反射率(9.2%) 。结果进一步证明激光清洗在硅表面诱导微纳结构可以优化几何陷光，增强有效介质效应，比HF酸刻蚀更有利于降低反射系数。在实验中，通过圆点优化激光清洗参数，在扫描速度为10 mm/s、扫描间距为10 μm的条件下，在150 mW范围内进行激光清洗，获得了最低的平均反射率为5.3% 。
同时，我们还发现10 mm/s扫描速度的激光清洗在去除激光织化Si表面的光学反射方面优于5 mm/s扫描速度的激光清洗。这是因为激光清洗后， Si表面有大量的重沉积颗粒(见图S3b-c) 。如图5e所示， EDX测量结果表明，在激光清洗过程中，硅材料中加入了外来的氧气。在低扫描速度下，更多的烧蚀颗粒沉积导致硅表面氧化更明显。
虽然激光能量在清洗Si表面的氧化物沉积后可以诱导出微纳结构，但在空气中诱导出微纳结构的过程中会产生新的氧化物沉积粒子。如何解决激光清洗过程中的氧化物沉积问题，是进一步提高硅材料表面性能的一个新课题。
3.3 激光清洗氧化沉积的椭圆斑提高了抗反射性能
通过多次降低激光清洗能量，可以有效去除材料表面的氧化物沉积，但这种处理方法无疑是耗时和昂贵的。利用柱面透镜将激光束以正入射方式聚焦在样品表面，可以得到椭圆激光光斑。利用椭圆斑激光清洗氧化沉积的示意图如图6所示。由于椭圆激光光斑的长轴没有被透镜聚焦，可以得到符合高斯函数的能量分布的宽范围和小变化梯度(图6a) 。在脉冲激光行扫描中，脉冲的时间顺序如图6b所示。这样，在一定的区域，如灰色区域(图6b) ，激光注量随扫描时间的变化如图6a所示。显然，激光注量也是脉冲序列号的高斯函数，这与整个激光束的能量密度分布是一致的。低激光注量(右图蓝箭头区域)适用于去除絮凝型二氧化硅沉积。高激光注量(红色双箭头区域)可用于去除絮凝二氧化硅沉积并诱导微纳米结构。低激光注量(蓝色箭头区域左侧)可用于去除空气中高激光注量诱导微纳结构过程中产生的再沉积氧化物颗粒。