火狐体育首页进入:总述文章微米、纳米、原子及近原子标准激光加工机理

　　光学、生物、微电子及信息等范畴中心器材与传感器的特征标准现已从微米量级减小到纳米量级，而根据量子理论作业的下一代元器材要求加工的精度、特征标准、资料完整性到达原子及近原子标准，制作技能正在面对从根据机器精度的可操控作向以原子及近原子标准制作（ACSM）为中心使能技能的制作新范式（即制作III）的演化。激光加作业为微纳制作的重要技能之一，具有高精度、高效率、资料普适性强等优势，加工进程覆盖了宏、微、纳观多标准，且具有在原子层量级去除资料的潜力。研讨人员系统分析了根据非线性光化学效应的超快激光三维加工以及激光诱导构成的外表结构，论述了直接取得高精度、高外表质量的微纳结构依然存在应战。这些问题决议了自上而下办法的激光加工能否运用于ACSM这一未来制作范畴的重要技能，研讨人员需求从机理层面动身寻觅新办法、新工艺。近期，天津大学精细测验技能及仪器国家要点试验室的王金石、房丰洲等人在《极点制作》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）期刊宣布了《微米、纳米、原子及近原子标准激光加工机理》的总述，系统介绍了小标准下激光加工的研讨布景、最新进展及未来展望。如图1所示，文章首要论述了典型资料在不同标准下（特别是纳米及原子标准）的光致去除机理，然后评论了电子激起、资料缺点与激光参数等要素的影响以及三类常用的理论模仿办法，列举了纳米与原子标准结构的实践加工事例，并面向ACSM对激光加工进行展望。

　　20世纪60年代以来，激光现已成为科学研讨与工程运用的重要东西。1983年微透镜阵列的完结证明了激光可以作为微纳加工的有用办法，超短脉冲技能的开展进一步进步了光与物质相互效果的空间分辨力，经过多光子吸收、光致聚合等效应使得激光加东西有超衍射极限与三维杂乱结构制作的共同优势，在金属、半导体资料上诱导的微纳结构也受到了广泛重视。现在，激光可以在微纳米标准进行增减材加工以及物化功能调控，完结光学、光电子、生物医学等范畴要害元器材及各种功能外表的制作。另一方面，经过光聚合与化学腐蚀尽管可以取得抱负的外表质量，但对可加工资料形成了约束，特别当运用激光直接去除脆性晶体时简单形成外表损害。即便飞秒激光被认为是冷加工手法，在纳米标准下其热效应依然会表现出来，而低粗糙度、低损甚至无损外表的需求正在日益添加。具有亚纳米级特征标准的量子器材现已处于试验室阶段，意味着原子与近原子标准制作的年代行将到来。激光直接辐照可以在原子层量级去除资料而不损坏亚外表晶格，一些辅佐手法经过削弱表层原子键强度使得加工进程具有选择性与自限性然后进步了可控度，有望开展成为ACSM的首要技能之一。跟着加工精度与外表完整性趋近资料极限，根据热等离子体激光烧蚀的加工模型难以适用，需求从光与资料相互效果这一基本问题下手寻觅方案，特别是以非热办法完结资料去除的微观进程。图2标明不同标准下激光去除资料的典型办法。

　　图2 激光辐照下资料在不同标准的去除进程暗示，包含热烧蚀（微米级）、库仑爆破（纳米级）、原子脱附与发射（原子级）

　　本文具体探讨了微米、纳米、原子及近原子标准激光加工机理，首要包含：纳米与原子标准下的资料非热去除机理、原子层辅佐加工办法、减小波长的优势以及原子标准结构加工事例。

　　激光加工时光子首要被电子吸收，假如在电子向晶格传热并导致晶格温升之前表层资料脱离基底即产生非热去除；若在此之后晶格不呈现剧烈的相变、冲击波等进程，就可以在资料去除的一起取得较高的加工外表完整性。库仑爆破是低辐照条件下纳米标准非热去除的一种重要机制，资料外表被电离后暂时带正电，因为晶格原子距离仅为埃米量级，表层粒子或团簇在强库仑斥力下被发射，其速度大、沿外表法向邻近散布且动量与电荷态正相关，这些特征与烧蚀去除等离子体羽辉中粒子的低速、电中性及大视点散布天壤之别。

　　原子层去除机理是建立在量子理论根底之上，且与资料品种、外表晶向与重构、缺点等微观状况相关。超高真空环境下的激光辐照协作扫描隧道显微镜、动能散布表征等试验标明，原子倾向于从特定晶格点位或缺点邻近出射，以此作为“种子点”在原子层内扩展，且在第一层原子被彻底去除之前基层原子有保持抱负晶格结构的才能（图3）。关于二维资料，跟着原子层去除数目逐步减小，系统维度产生变化并导致阈值能量密度添加，呈现出“原子标准的标准效应”。

　　假如可以削弱表层原子与其下方原子的键合强度，就有或许经过操控激光参数仅堵截被弱化的原子键，然后去除单个原子层而不损坏加工外表及亚外表晶格。经过在外表吸附高电负性粒子（如卤素分子）便可以完结上述效果，这种辅佐加工办法具有资料选择性或自限性，即只要那些外表吸附与激光辐照一起存在的区域才会产生原子层去除，极大程度地进步了进程的可控性，在氯吸附的砷化镓以及氧吸附的金刚石系统中得到了验证。还可以选用该办法先制备涣散的空位缺点，然后经过惯例激光辐照扩展缺点规模，完结整个原子层的去除（图4a）。另一种办法则是经过互分散将杂质原子掺入表层，使得分散层的阈值能量密度低于基底，在适宜的辐照强度下仅将分散层去除而不损害加工外表（图4b）。

　　图4 原子层辅佐加工办法（a）GaAs(110)外表的原子层去除：第一步经过Br吸附辅佐加工（CALID）取得岛状散布空位，这些缺点作为种子点在第二步激光辐照（LID）中扩展至整个原子层；（b）经过In原子与GaAs表层内的Ga原子互分散下降去除阈值。（a）经答应运用，版权一切（1998）American Physical Society；（b）经答应运用，版权一切（2018）IOP Publishing Ltd.。

　　当资料带隙大于单光子能量时，需求经过多光子强场吸收进行电子激起。这一方面是飞秒激光加工取得高空间分辨力的根底，另一方面也带来了纳米及原子标准晶格热损害的危险。选用短波长高光子能量便可以在促进电子激起的一起下降辐照剂量，以库仑爆破、原子层脱附等非热办法进步加工外表质量。超越带隙与电子亲和能之和的高能光子可防止电子向缺点能级弛豫进程中的声子发射，取得热变形小、侧壁峻峭、外表平整的微纳结构。作为短波长的典型代表之一，极紫外（EUV）波段光子能量可堵截简直一切化学键并引起强电离、强吸收，去除阈值下降可到达2个数量级。在热烧蚀进程中，光斑中心方位的能量堆积与资料去除深度会因为外表上方等离子体羽辉的吸收效果而下降；而EUV光子的强电离效应可以穿透羽辉，保持辐照外表的电子激起与资料去除。EUV激光已可以在介电晶体与有机物外表加工出高质量纳米结构。

　　图5a所示为选用根据互分散掺杂的原子层辅佐加工办法取得的GaAs亚纳米深度沟槽，结合干与曝光可以更高效地完结周期性“纳米岛状”结构，以此为模板可进步量子点散布的有序性。关于二维资料，经过四波混频技能可以在线监测石墨碳层随激光扫描次数的递减进程（图5b）；运用聚集脉冲激光直写取得了仅为原子层厚度的超透镜（图5c）、全息图等超薄光学器材，在宽波段完结超衍射极限聚集等优异功能；以激光减材办法加工的单层MoS2场效应管（图5d）具有与原始单层形状资料可比较的电学特性。

　　图5 原子标准结构激光加工举例（a）GaAs激光加工外表与所成长的量子点；（b）石墨碳层减薄进程，数字代表初始层数；（c）MoS2原子级平面透镜；（d）根据单层MoS2的纳结构与场效应管。（a）经答应运用，版权一切（2018）IOP Publishing Ltd.；（b）经答应运用，版权一切（2015）Royal Society of Chemistry；（c）经答应运用，版权一切（2021）Springer Nature；（d）经答应运用，版权一切（2012）American Chemical Society。

　　作为具有潜力的ACSM技能，激光加工的精度与结构标准由微纳米向原子标准开展进程中存在若干要害问题有待打破，如资料能带结构、缺点、声子激起等要素对原子层去除的影响机理仍需求清晰，处理这些根底问题便可以说明哪些激光参数（波长、脉宽、功率等）对原子标准加工起主导效果，然后完结确定性调控；已有研讨现已表现了选择性、自限性机制在进步进程可控性方面的重要效果，凭借吸附、掺杂、引进缺点等多种办法，有望完结可用于实践出产的原子层高效加工新办法；一起，需求深化现有激光加工技能（包含短波长光源、光束整形与光场调控、中心光学元件规划与制作、多标准数值模仿等）的研讨，使其可以在更多品种资料上取得精度、结构标准与外表完整性的提高。

　　王金石，天津大学副研讨员，从事激光加工、原子及近原子标准制作、超精细加工方向研讨。参加国家973方案、国家自然科学基金严重研讨方案及要点项目、国防科工局科学应战方案专题项目等。宣布学术论文20余篇，授权发明专利4项。担任International Journal of Extreme Manufacturing期刊客座修改、Nanomanufacturing and Metrology期刊青年编委、世界出产工程研讨院（CIRP）青年会员（Research Affiliate）、世界工程技能促进会（AET）会员、世界纳米制作学会（ISNM）会员、我国机械工程学会出产工程分会委员。

　　房丰洲，天津大学教授，长时间从事微纳加工、精细制作、超精细制作、光学自在曲面制作与检测的根底理论研讨与运用开发。作为项目负责人承当国家973方案、863方案、要点研制方案、国家自然科学基金及企业协作等科研项目，历年名列Elsevier “工业与制作工程”范畴我国高被引学者榜单。世界纳米制作学会（ISNM）首任主席及Nanomanufacturing and Metrology期刊主编，先后被评选为AET、ISNM、SME、CIRP等制作范畴世界首要学术组织会士。提出制作开展的三个范式，并说明原子及近原子标准制作（ACSM）是“制作III”的中心使能技能。

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