Atomistic dynamics of early oxidation of Si upon ultra-short pulsed laser heating
本研究结合反应分子动力学模拟与实验验证，旨在证明超短脉冲激光加热下硅的早期氧化过程受控于一种转变，即从熔点以下的微乎其微的生长，转变为在瞬态熔融硅层内由扩散控制的快速氧化物形成。
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硅是现代世界的静默基石，这种材料构成了我们手机、电脑和太阳能电池板内部微小芯片的组成部分。为了让这些设备可靠地工作，工程师通常会在硅表面涂上一层极薄的“锈”，即二氧化硅。这层涂层充当了护盾，保护脆弱的电子设备免受损坏，并帮助它们正确地导电。通常情况下，这种保护层是在高温炉中缓慢生长出来的，这个过程可能需要数小时。然而，科学家们发现，如果用极快的激光脉冲轰击硅，可以在不到一秒钟的时间内形成类似的图层。一直以来的谜团在于，这种现象是如何发生得如此之快。激光使表面迅速升温，以至于硅不仅仅是变热，而是短暂地变成了液体，而问题的关键在于，这种转瞬即逝的熔化时刻是否是快速生长出保护性涂层的关键。
来自法国的一个研究小组通过将强大的计算机模拟与直接观察相结合，揭开了这一谜团的层层面纱。他们想要了解当硅原子受到超短激光脉冲冲击时究竟发生了什么，以及空气中的氧是如何涌入并形成那层保护性皮肤的。通过使用一种能够追踪单个原子运动的高级计算机模型，他们重现了激光加热硅表面时发生的瞬时事件。他们发现，硅的行为会根据表面保持固体还是转变为液体而发生剧烈变化。当温度保持在熔点以下时，氧原子就像是困在拥挤房间里的访客；它们无法轻易穿过固体硅的刚性晶体结构，因此几乎不会形成涂层。对于激光活跃的极短窗口期而言，这个过程太慢了，以至于根本不产生影响。
一旦硅熔化，故事就完全改变了。研究人员观察到，一旦表面变成液体，氧原子突然找到了一条高速公路。在液态下，硅原子不再被固定在原位，这使得氧能够以惊人的速度深入渗透进材料内部。模拟显示，新氧化层的厚度与液态硅渗透的深度直接相关。如果激光创造了一个更深的熔融硅池，氧就会移动得更远，生成的涂层也会更厚。这一过程发生得极快，大约两点五纳米厚的图层可以在仅仅几百皮秒内形成——这是一个以万亿分之一秒计的时间尺度。团队还注意到，如果氧气供应不足，生长速度将受限于氧气的供应量；但一旦氧气充足，生长速度仅取决于氧气在熔融硅冷却并重新硬化之前能“游”多快。
为了确保他们的计算机模型与现实相符，研究人员使用深紫外激光对硅片进行了现实世界的实验。随后，他们将这些样品切成极薄的片状，并利用高功率电子显微镜（一种可以观察单个原子的工具）对其进行检查。图像完美地证实了他们的预测。他们发现一层连续的二氧化硅位于非晶硅区域之上，非晶硅是一种失去了有序晶体结构、变得像玻璃一样紊乱的硅。这层非晶层直接坐落在原始晶圆的固体晶体硅之上。测量结果显示，保护性氧化层厚度约为2.3纳米，这个数字与他们的模拟预测高度吻一。
这项工作的最重要意义在于，这种氧化层的快速形成并非由激光驱动的某种神秘的、非热效应的技巧。相反，它是一个由热驱动的直观物理过程。激光创造了一个短暂且瞬态的液态硅池，正是由于氧在液态硅中移动能力的增强，才使得涂层能够如此快速地生长。研究人员排除了激光必须通过某种奇特或非热效应来强制反应的观点。相反，他们证明了仅仅让硅发生熔化——即使只是转瞬即逝的一刻——就足以解释这种快速氧化现象。这一理解为为什么这些超薄层能如此迅速地形成提供了清晰的物理学解释，并证实了熔融区域的深度是控制保护性涂层厚度的主要因素。
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