清华新闻网9月30日电 近日，清华大学精密仪器系孙洪波、白本锋教授团队研究提出了一种利用飞秒激光在半导体材料表面制备红外超宽带面源黑体的新方法。该方法利用飞秒激光与材料相互作用的能量负反馈机制和热激发机制，首次实现了仅通过一步工艺即可在半导体材料表面稳定制备跨尺度结构并实现深能级调控，使之成为具备超宽带、耐高温、高均匀、抗脱落特性的超高发射率面源黑体，能够在高低温等恶劣环境下提供稳定的校准精度，极大地拓展红外探测的适用范围。
黑体（Blackbody）是对红外探测系统进行校准定标的关键部件，在天文学、光学和红外热辐射工程等领域有着重要而广泛的应用。现有技术制备的面源黑体存在发射率不够高、带宽有限、稳定性和均匀性不够好、对环境适应性差等问题，严重影响红外系统的定标效果，限制着红外探测的应用领域。
孙洪波、白本锋教授团队在对半导体表面的散射和吸收机制深入研究基础上，提出一种基于超快激光的一步工艺方法，该方法利用飞秒激光与半导体材料相互作用过程中的能量负反馈调节机理和热缺陷激发机制，能够在激光束的扫描中同时实现材料表面锥形阵列跨尺度周期结构的制备和对材料的深能级调控，从而在不引入任何其他材料或涂层的条件下，使半导体材料表面成为超宽带、超高发射率的黑体，解决了传统面源黑体涂层变性、脱落污染、均匀性和稳定性差、寿命短等难题，为制备大面积、低成本、高可靠性、高性能的新型面源黑体提供了解决方案。
图1.新型面源黑体的表面反射率抑制原理示意图
具体而言，通过这种新工艺加工出的结构是均匀覆盖着200纳米直径纳米颗粒的周期性微锥阵列。纳米颗粒的存在能够显著抑制由折射率失配引起的菲涅尔反射，达到较低的表面反射率；周期性的微锥阵列具有很高的深宽比，起到“陷光”作用，使得表面反射率进一步降低。在这两种效应协同作用下，对光的反射抑制能得到最大程度的强化，且对波长不敏感，从而实现超宽波段极低反射率。
对于进入材料内部的光，强化吸收是关键。团队发现了当飞秒激光作用到材料表面后，剧烈的升温和降温会使晶格原子逸出形成高密度缺陷，进而在材料表面引入深能级，这些单一能级上的电子跃迁到导带，实现超宽带的光吸收增强。
图2.新型面源黑体的一步法制备工艺
这种由清华大学团队原创的面源黑体生成原理和制备技术对于高性能面源黑体发展具有里程碑意义，解决了长期制约面源黑体发展的涂层脱落、耐久性差等关键难题。实验测试表明，这种面源黑体展现出了一系列先进技术性能指标：在3~14微米超宽红外波段内实现了优于98%的发射率，在0~70°宽角度入射下可实现近乎完美的宽带光吸收；具有很好的温度稳定性，在超过900℃的高温环境中工作仍能够保证发射率的稳定；具有很好的耐久性，通过老化试验表面可保证至少工作10年而发射率没有明显下降；具有很好机械稳定性，能够在至少20次、不同粘度的胶带循环剥离实验中保持结构完好且没有明显的发射率下降；具有很好的一致性，在60×60mm2的大面积样品表面发射率均匀性偏差优于0.25%，制备的多个样品的性能可重复性偏差优于0.15%。这些性能保证了这种新型面源黑体可在恶劣环境下的多种红外应用场合具有突出优势。
图3.激光诱导硅材料中的缺陷态产生原理
图4.黑体样品的耐高温性能、机械稳定性测试结果
图5.黑体样品的大面积均匀性、可重复性测试结果
该研究工作展示了一种全新的面源黑体制备原理和技术，能够同时实现红外超宽带高发射率、高稳定性、高均匀性和长寿命，同时具有高面源一致性，能够在高低温等恶劣环境下为红外设备提供稳定的校准精度，极大地拓展了红外探测的适用范围。
研究成果以“超快激光诱导表面分层结构及纳米缺陷工程的超宽带平面黑体”（Ultra-broadband Plane Blackbody by Ultrafast Laser Induced Surface Hierarchical Structuring and Nanodefect Engineering）为题，于9月20日在线发表于《先进材料》（Advanced Materials）。
清华大学精密仪器系和精密测试技术及仪器全国重点实验室为该工作的第一完成单位。精密仪器系2022级博士生周鸿帅为论文第一作者，精密仪器系教授白本锋、孙洪波和研究员郝小鹏为论文通讯作者。研究得到北京市自然科学基金和国家自然科学基金的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202512727
供稿：精仪系
编辑：李华山
审核：郭玲
