近期，香港理工大學(xué)聯(lián)合大連理工大學(xué)研究團隊在《International Journal of Mechanical Sciences》發(fā)表論文“Stress-Driven Exfoliation and Structural Evolution in Diamond under Femtosecond Laser”，論文聚焦飛秒激光作用下金剛石的材料去除核心機制，從宏觀加工形貌到原子尺度結(jié)構(gòu)演化完成系統(tǒng)性探究，首次清晰揭示了應(yīng)力主導(dǎo)的非熱材料去除新機制，徹底更新了學(xué)界對飛秒激光加工金剛石過程的傳統(tǒng)認知，為金剛石高精度、低損傷激光精密加工提供了關(guān)鍵理論支撐。
為探明激光作用下金剛石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，團隊結(jié)合拉曼光譜與高分辨透射電鏡（HRTEM）開展微觀結(jié)構(gòu)分析，顛覆了“激光加工僅引發(fā)材料熔融”的傳統(tǒng)認知。實驗證明，飛秒激光加工過程中，金剛石不會發(fā)生簡單熔融，而是產(chǎn)生sp3共價鍵向sp2共價鍵的漸進式結(jié)構(gòu)重構(gòu)。隨著激光能量密度持續(xù)提升，金剛石表層逐步生成無定形碳與石墨化結(jié)構(gòu)，最終形成金剛石、石墨、非晶碳共存的梯度過渡層，實現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)的可控演化。
為捕捉納秒級超快加工動態(tài)過程，彌補實驗觀測的局限性，研究團隊引入分子動力學(xué)模擬，從原子尺度還原了飛秒激光加工金剛石的完整演化機制。模擬數(shù)據(jù)表明，350飛秒超短脈沖激光照射時，能量會快速沉積于金剛石表層，在數(shù)百飛秒的極短時間內(nèi)構(gòu)建出極高的瞬態(tài)溫壓場。當局部應(yīng)力突破金剛石晶格承受極限時，其內(nèi)部sp3鍵快速失穩(wěn)，材料表層率先發(fā)生局部非晶化，后續(xù)通過高壓應(yīng)力釋放實現(xiàn)整體體積剝離，完全區(qū)別于傳統(tǒng)激光加工的“液態(tài)熔融-蒸發(fā)”燒蝕模式。
研究進一步探究了激光脈寬對溫度場、應(yīng)力場演化的調(diào)控規(guī)律。結(jié)果顯示，350飛秒超短脈沖可產(chǎn)生遠超金剛石屈服極限的超高峰值壓力，且應(yīng)力波的形成早于溫度峰值，證明材料去除過程以機械應(yīng)力為核心驅(qū)動力，熱效應(yīng)可忽略不計；隨著激光脈寬不斷增加，機械應(yīng)力作用持續(xù)減弱，熱擴散效應(yīng)持續(xù)增強，加工機制逐步從“非熱應(yīng)力去除”向“熱主導(dǎo)燒蝕”過渡。該規(guī)律與宏觀形貌、微觀結(jié)構(gòu)的實驗分析結(jié)果高度吻合，首次完整證實飛秒激光加工金剛石存在非熱加工到熱影響加工的連續(xù)演化過程。
在第四代半導(dǎo)體快速發(fā)展的背景下，金剛石微納精密加工能力是其各類高端器件產(chǎn)業(yè)化的核心瓶頸。該研究揭示的非熱精密加工新機制，有效解決了傳統(tǒng)加工損傷大、效率低的難題，不僅能夠推動飛秒激光技術(shù)在金剛石半導(dǎo)體器件、高端散熱基板、量子器件、精密光學(xué)元件制造中的規(guī)模化應(yīng)用，也為超硬材料超快激光加工的機制研究、工藝創(chuàng)新提供了全新思路與技術(shù)參考。
圖文導(dǎo)讀
圖1. 飛秒激光微加工系統(tǒng)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(xué)（MD）模型。該模型由50 × 50 × 50 a3的單元格組成，晶格常數(shù)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(qū)。該塊體被劃分為十層，每層均具有不同的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)。X、Y、Z軸表示模擬中使用的坐標系。
來源：https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2026.111932
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