一种局域改变无机非金属材料表面载流子浓度的方法与流程

1.本发明属于激光表面改性技术领域，具体涉及一种局域改变无机非金属材料表面载流子浓度的方法。


背景技术：

2.无机非金属材料，是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料，是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一。无机非金属通常含有离子键、共价键或/和混合键，因此其物质结构通常比金属材料复杂，也赋予了这类材料高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性，以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性等。
3.材料的导电性通常采用载流子浓度来衡量。载流子是电荷的载体（即电荷的运输者），是能够移动的荷电粒子。如金属导体材料的载流子浓度通常为10
22
~10
23
cm-3
数量级，绝缘材料（如无机非金属绝缘材料、有机高分子材料）的载流子浓度通常小于10
6 cm-3
数量级。导电性介于绝缘材料和金属导体之间的，还有许多半导体材料，如单晶硅等。
4.目前，改变无机非金属材料表面载流子浓度的方法通常包括溅射、离子注入、掺杂、化学镀等，这些技术通常都是整体改变无机非金属材料表面的载流子浓度；如果需要局域改变其载流子浓度，需要采用事先掩膜或后期的光刻-蚀刻等工艺，步骤多，流程长，而且难以实现对曲面三维材料表面载流子浓度的改变。
5.有鉴于此，本发明旨在提供一种局域改变无机非金属材料表面载流子浓度的方法，其采用紫外激光，对无机非金属材料材料表面进行局域刻蚀改性，通过改变激光参数，使其表面的载流子浓度发生改变，这种改变最大可达多个数量级，而且可以实现连续改变。该方法简单、快捷，还适合三维材料表面载流子浓度的局域改变。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明旨在提出一种局域改变无机非金属材料表面载流子浓度的方法，其采用紫外激光，对无机非金属材料材料表面进行局域刻蚀改性，通过改变激光参数，使其表面的载流子浓度发生改变，这种改变最大可达多个数量级，而且可以实现连续改变。该方法简单、快捷，还适合三维材料表面载流子浓度的局域改变。
7.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种局域改变无机非金属材料表面载流子浓度的方法，至少包括如下步骤：采用紫外激光，在所用激光能量密度大于无机非金属材料刻蚀能量阈值的条件下，对无机非金属材料材料表面进行局域刻蚀改性，从而局部改变所述无机非金属材料表面的载流子浓度。
8.其中，紫外激光的波长位于紫外光区域，具有波长短、材料吸收率高、光子能量高、热效应小等优点。紫外激光作用在材料表面时，材料吸收光子能量，有可能直接断开材料表
面的化学键，这个过程在不产生“热损伤”和“热破坏”或在“热损伤”和“热破坏”较小的情况下，即可实现材料表面物质的去除、剥离或者改性，且对被加工区域的内部和周边材料不产生热影响或产生较小的热影响。本发明创造性地采用紫外激光对无机非金属材料表面进行局部刻蚀改性，进而改变材料表面的载流子浓度，从而改变材料的导电性能。
9.实践表明，采用本发明的方法不仅可以使无机非金属材料表面的载流子浓度发生改变，而且这种改变最大可达多个数量级，同时还可以实现连续改变。该方法简单、快捷、步骤少，还适合三维材料表面载流子浓度的局域改变。
10.作为本发明局域改变无机非金属材料表面载流子浓度的方法的一种改进，紫外激光的波长优选为355nm，扫描速度优选200-600mm/s、扫描间距优选10-50μm、光斑直径优选5-100μm。
11.作为本发明局域改变无机非金属材料表面载流子浓度的方法的一种改进，纳秒脉冲紫外激光的能量密度优选大于14j/cm2。
12.通过激光参数的改变，可以对无机非金属材料的载流子浓度进行连续调节，区域选择好，还适合三维材料表面载流子浓度的局域改变。
13.其中，本发明中的无机非金属材料可以是氧化铝、氮化铝、氧化锆、单晶硅、多晶硅等的大部分无机非金属材料，也就是说，本发明的适用范围广泛，几乎可以用于局域改变所有五金非金属材料的表面载流子浓度。
实施方式
14.以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此。
实施例
15.96%的无机非金属材料氧化铝陶瓷，其原始表面的载流子浓度经霍尔测试仪测试为106cm-3
数量级，利用波长为355nm的紫外激光，在激光能量密度为15.53j/cm2、扫描速度400mm/s、扫描间距为20μm、光斑直径为10μm条件下，对氧化铝陶瓷表面进行局域刻蚀改性；改性后，经霍尔效应测试仪测试，其改性区域表面的载流子浓度可达108cm-3
数量级，增加了两个数量级。
实施例
16.无机非金属材料氮化铝陶瓷，其原始表面的载流子浓度经霍尔测试仪测试为106cm-3
数量级，利用波长为355nm的紫外激光，在激光能量密度为17.45j/cm2、扫描速度250mm/s、扫描间距为24μm、光斑直径为15μm条件下，对氮化铝陶瓷表面进行局域刻蚀改性；改性后，经万用表测试，其改性区域具有导电性，经霍尔效应测试仪测试，其表面的载流子浓度可达 10
20
cm-3
数量级，增加了14个数量级。
实施例
17.无机非金属材料单晶硅，其原始表面的载流子浓度经霍尔测试仪测试为10
10
cm-3
数量级，利用波长为355nm的紫外激光，在激光能量密度为14.86j/cm2、扫描速度158mm/s、扫描间距为25μm、光斑直径为15μm条件下，对其表面进行局域刻蚀改性；改性后，经霍尔效
应测试仪测试，其表面的载流子浓度可增大至原来的6.5倍。
18.根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。


技术特征：
1.一种局域改变无机非金属材料表面载流子浓度的方法，其特征在于，至少包括如下步骤：采用紫外激光，在所用激光能量密度大于无机非金属材料刻蚀能量阈值的条件下，对无机非金属材料材料表面进行局域刻蚀改性，从而局部改变所述无机非金属材料表面的载流子浓度。2.根据权利要求1所述的局域改变无机非金属材料表面载流子浓度的方法，其特征在于：紫外激光的波长为355nm，扫描速度为200-600mm/s、扫描间距为10-50μm、光斑直径为5-100μm。3.根据权利要求1所述的局域改变无机非金属材料表面载流子浓度的方法，其特征在于：紫外激光的能量密度大于14j/cm2。

技术总结
本发明属于激光表面改性技术领域，具体涉及一种局域改变无机非金属材料表面载流子浓度的方法，至少包括如下步骤：采用纳秒脉冲紫外激光，在所用激光能量密度大于无机非金属材料刻蚀能量阈值的条件下，对无机非金属材料材料表面进行局域刻蚀改性，从而局部改变所述无机非金属材料表面的载流子浓度。相对于现有技术，本发明创造性地采用纳秒脉冲紫外激光，对无机非金属材料材料表面进行局域刻蚀改性，通过改变激光参数，使其表面的载流子浓度发生改变，这种改变最大可达多个数量级，而且可以实现连续改变。该方法简单、快捷，还适合三维材料表面载流子浓度的局域改变。表面载流子浓度的局域改变。


技术研发人员：丁学伍
受保护的技术使用者：泰兰特激光技术（武汉）有限公司
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/4