近年來，隨著金剛石在熱管理、精密光學、量子器件、微納制造以及高端刀具等領域的應用不斷拓展，其表面微結構加工需求持續增長。通過構筑微溝槽、微柱陣列等功能結構，可進一步賦予金剛石表面減摩耐磨、傳熱增強、潤濕調控以及光學調控等多種功能。
然而，由于金剛石具有極高硬度、高熱導率、寬禁帶、低光吸收率以及優異化學穩定性，傳統機械加工、反應離子刻蝕、聚焦離子束等工藝普遍存在加工效率低、流程復雜等問題，而常規激光加工又受到材料吸收率低和燒蝕閾值高的限制，實現兼顧效率與加工質量仍是一項重要挑戰。
近期，廈門大學洪明輝團隊開展相關研究，提出了一種基底加熱激光誘導等離子體輔助燒蝕新策略，為高效、高質量金剛石微結構加工提供了新的思路。相關成果以《Laser-induced plasma-assisted ablation with substrate heating for high-efficiency and high-quality microfabrication on diamond substrate》為題，發表于Optics & Laser Technology。
論文圍繞“如何提升LIPAA加工效率并兼顧加工質量”展開研究。作者在傳統LIPAA工藝基礎上引入基底加熱，通過搭建加熱輔助加工系統，系統研究了不同基底溫度對微溝槽尺寸、材料去除率（MRR）及表面質量的影響，同時結合EDS和拉曼光譜分析加工過程中表面氧化和石墨化行為，并進一步考察激光能量密度對加工性能的影響。
在此基礎上，論文分析了基底加熱促進材料去除和改善加工質量的作用機制，并利用所建立的方法制備多種表面微結構，驗證其在潤濕性能調控方面的應用潛力。
研究結果表明，基底加熱能夠有效降低金剛石燒蝕閾值，提高激光誘導等離子體加工效率。當基底溫度提升至350 ℃時，微溝槽深度相比室溫提高約130%，材料去除率提高61%，同時溝槽表面碎屑和裂紋明顯減少，表面粗糙度進一步降低，加工質量得到改善。EDS分析顯示，加熱過程中僅產生輕微表面氧化；拉曼測試則表明，加熱促進了加工區域石墨化，有助于材料去除，但石墨化程度需根據具體應用需求進行控制。
此外，研究還發現，提高激光能量密度能夠進一步提升加工效率，但過高能量會引入更多熱效應，對表面質量產生一定影響，因此需要在效率與質量之間進行優化匹配。
針對性能提升機理，論文認為，基底預熱提高了金剛石初始溫度，使材料達到燒蝕條件所需能量減少，從而使燒蝕閾值降低約23%。與此同時，預熱減小了加工區域與周圍材料之間的溫度梯度，降低了熱應力和冷卻速率，抑制裂紋形成，并促進石墨化轉變，從而實現更充分的材料去除和更均勻的加工表面。最后，研究團隊利用該工藝成功制備出不同周期的微柱陣列，實現了金剛石表面由親水向疏水的調控，驗證了該方法在功能化表面制造中的應用潛力。
總體來看，該研究提出的基底加熱LIPAA策略有效突破了傳統激光加工金剛石效率低、質量難兼顧的瓶頸，在提升材料去除率的同時改善了加工表面質量，并能夠實現功能微結構的高效制備。
研究為金剛石微納制造技術提供了一種兼具加工效率和加工質量的新方案，也為其在熱管理器件、微光學、精密加工及功能表面工程等領域的進一步應用提供了技術支撐。
圖文導讀
圖1. 通過基底加熱對金剛石進行LIPAA實驗的裝置示意圖
圖2. 通過LIPAA工藝制備的金剛石表面微溝槽的光學顯微鏡圖像、3D輪廓圖和橫截面輪廓圖：（a1）?（a3）為室溫下制備的；（b1）?（b3）為表面溫度為100 ?C時制備的； (c1)?(c3) 表面溫度為 200 ?C；(d1)?(d3) 表面溫度為 300 ?C。
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