金剛石憑借超高硬度、超高熱導率、寬禁帶、高擊穿場強等優異性能，被認為是第四代半導體的重要候選材料，在高功率電子器件、量子器件、精密光學及高端散熱等領域具有廣闊應用前景。然而，也正是由于其極高的硬度和化學穩定性，使其成為目前最難加工的材料之一。傳統機械加工容易造成刀具磨損和亞表面損傷，而長脈沖激光加工又容易引發熔融、熱裂紋和石墨化等問題，因此，如何實現高效率、低損傷的金剛石精密加工，一直是國際研究熱點。
近期，香港理工大學聯合大連理工大學研究團隊在《International Journal of Mechanical Sciences》發表論文“Stress-Driven Exfoliation and Structural Evolution in Diamond under Femtosecond Laser”。研究團隊圍繞飛秒激光作用下金剛石的材料去除機制開展系統研究，從宏觀加工形貌到原子尺度結構演化，揭示了飛秒激光加工金剛石過程中由應力主導的非熱材料去除機制，為高精度金剛石激光加工提供了新的理論依據。
與傳統研究主要關注加工質量不同，本文更加關注飛秒激光究竟是如何去除金剛石材料的。研究首先以不同激光能量密度和不同脈寬作為變量，對飛秒激光燒蝕后的加工形貌進行了系統分析。結果表明，隨著激光能量密度提高，燒蝕坑的直徑和深度均不斷增加，但二者受脈寬影響表現出明顯不同的變化規律。350飛秒超短脈沖能夠形成更深、更陡、更光滑的燒蝕坑，而隨著脈寬增加至4000飛秒，燒蝕坑逐漸變寬、變淺，邊緣粗糙度明顯增加，并出現類似材料重新凝固的形貌特征。這說明，超短脈沖能夠將能量限制在極小空間內快速釋放，而較長脈寬則導致熱擴散增強，使加工逐漸受到熱效應影響。
為了進一步揭示材料內部發生了什么，研究團隊利用拉曼光譜和截面HRTEM對加工后的金剛石進行了結構分析。結果發現，在飛秒激光作用下，金剛石內部并非簡單發生熔化，而是經歷了由sp3鍵向sp2鍵逐步轉變的結構重構過程。隨著激光能量提高，材料表面逐漸出現無定形碳和石墨化特征，最終形成由金剛石、石墨和非晶碳組成的梯度過渡層。
與此同時，拉曼譜中金剛石特征峰發生輕微藍移，說明材料內部形成了較大的殘余壓應力，而并未觀察到典型熱熔融過程所對應的紅移現象。這些實驗結果共同說明，飛秒激光誘導的結構演化更符合應力輔助下的固態相變，而不是傳統意義上的熔化—再凝固過程。
為了直接觀察實驗難以捕捉的超快動態過程，論文進一步引入分子動力學模擬，對飛秒激光照射后的原子尺度演化進行了研究。模擬結果顯示，在350飛秒激光照射過程中，能量首先集中沉積于材料表層，僅數百飛秒內便形成極高的瞬態溫度和壓力場。
當局部應力超過金剛石晶格承受極限時，sp3鍵迅速失穩，材料首先發生局部非晶化，隨后在高壓應力釋放過程中形成整體體積剝離，而不是經歷液態熔融再蒸發的傳統燒蝕模式。整個過程可概括為"局部非晶化—石墨化演化—應力驅動體積剝離"的連續機制，這也很好解釋了實驗中觀察到的燒蝕坑邊界清晰、熱影響區極小以及表面質量較高等現象。
論文還進一步比較了不同脈寬對應力場和溫度場演化的影響。模擬表明，350飛秒脈沖能夠產生更高的峰值壓力，應力峰值甚至遠高于金剛石的屈服極限，應力波先于溫度峰值形成，說明材料去除首先受到機械應力驅動；而隨著脈寬增加，應力逐漸減弱，熱擴散增強，加工機制開始向熱主導燒蝕轉變。這一規律與實驗中觀察到的加工形貌、拉曼譜及TEM結構分析結果相互印證，進一步證明飛秒激光加工金剛石存在由非熱去除向熱影響去除的連續演化過程。
總體來看，該研究通過實驗表征與原子尺度模擬相結合，系統建立了飛秒激光加工金剛石的作用機制模型，提出了以應力驅動非熱體積剝離為核心的新機制，突破了傳統熔融燒蝕理論對飛秒激光加工過程的認識。研究不僅揭示了激光脈寬、能量密度與材料結構演化之間的內在聯系，也為飛秒激光參數優化提供了理論指導。
對于金剛石半導體器件、先進散熱基板、量子器件以及高精度光學元件等應用而言，高質量微納加工能力至關重要。該論文所揭示的非熱加工機制，有望推動飛秒激光在金剛石精密制造中的進一步應用，為未來高性能金剛石器件的低損傷、高效率加工提供重要理論支撐，同時也為超硬材料超快激光加工機制研究提供了新的研究思路。
圖文導讀
圖1. 飛秒激光微加工系統的示意圖和實物照片。
圖2. 飛秒激光照射單晶金剛石的分子動力學（MD）模型。該模型由50 × 50 × 50 a3的單元格組成，晶格常數a = 3.567 ?，分為恒溫層和牛頓層。激光照射頂面，形成錐形熱影響區。該塊體被劃分為十層，每層均具有不同的熱學和力學性質。X、Y、Z軸表示模擬中使用的坐標系。
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