作者

王金石、房豐(feng) 洲、安豪傑、吳珊、戚慧敏、蔡越軒、郭冠宇

單位

天津大學

Citation

Wang J S, Fang F Z, An H J, Wu S, Qi H M, Cai Y X, Guo G Y. 2023. Laser machining fundamentals: micro, nano, atomic and close-to-atomic scales. Int. J. Extrem. Manuf.5012005.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/acb134

撰稿 | 文章作者

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文章導讀

光學、生物、微電子及信息等領域核心器件與(yu) 傳(chuan) 感器的特征尺寸已經從(cong) 微米量級減小到納米量級，而基於(yu) 量子理論工作的下一代元器件要求加工的精度、特征尺寸、材料完整性達到原子及近原子尺度，製造技術正在麵臨(lin) 從(cong) 基於(yu) 機器精度的可控製造向以原子及近原子尺度製造（ACSM）為(wei) 核心使能技術的製造新範式（即製造III）的演變。激光加工作為(wei) 微納製造的重要技術之一，具有高精度、高效率、材料普適性強等優(you) 勢，加工過程覆蓋了宏、微、納觀多尺度，且具備在原子層量級去除材料的潛力。研究人員係統分析了基於(yu) 非線性光化學效應的超快激光三維加工以及激光誘導形成的表麵結構，闡述了直接獲得高精度、高表麵質量的微納結構仍然存在挑戰。這些問題決(jue) 定了自上而下方式的激光加工能否應用於(yu) ACSM這一未來製造領域的重要技術，研究人員需要從(cong) 機理層麵出發尋找新方法、新工藝。近期，天津大學精密測試技術及儀(yi) 器國家重點實驗室的王金石、房豐(feng) 洲等人在《極端製造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）期刊發表了《微米、納米、原子及近原子尺度激光加工機理》的綜述，係統介紹了小尺度下激光加工的研究背景、最新進展及未來展望。如圖1所示，文章首先闡述了典型材料在不同尺度下（特別是納米及原子尺度）的光致去除機理，進而討論了電子激發、材料缺陷與(yu) 激光參數等因素的影響以及三類常用的理論模擬方法，列舉(ju) 了納米與(yu) 原子尺度結構的實際加工案例，並麵向ACSM對激光加工進行展望。

激光加工；機理；原子及近原子尺度製造；ACSM；製造III

亮點

係統分析了小尺度下的激光加工機理。

探討了光致脫附具備單原子層去除極限的可能性。

分析了原子尺度激光加工有望實現極高的表麵完整性。

強調了減小波長與(yu) 化學輔助手段的優(you) 勢。

闡述了激光加工是具有潛力的原子及近原子尺度製造技術。

圖1 材料去除機理、影響因素、理論研究方法與(yu) 應用

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研究背景

20世紀60年代以來，激光已經成為(wei) 科學研究與(yu) 工程應用的重要工具。1983年微透鏡陣列的實現證明了激光能夠作為(wei) 微納加工的有效方法，超短脈衝(chong) 技術的發展進一步提高了光與(yu) 物質相互作用的空間分辨力，通過多光子吸收、光致聚合等效應使得激光加工具有超衍射極限與(yu) 三維複雜結構製造的獨特優(you) 勢，在金屬、半導體(ti) 材料上誘導的微納結構也受到了廣泛關(guan) 注。目前，激光能夠在微納米尺度進行增減材加工以及物化性能調控，實現光學、光電子、生物醫學等領域關(guan) 鍵元器件及各種功能表麵的製造。另一方麵，通過光聚合與(yu) 化學腐蝕雖然能夠獲得理想的表麵質量，但對可加工材料造成了限製，尤其當使用激光直接去除脆性晶體(ti) 時容易造成表麵損傷(shang) 。即使飛秒激光被認為(wei) 是冷加工手段，在納米尺度下其熱效應仍然會(hui) 體(ti) 現出來，而低粗糙度、低損乃至無損表麵的需求正在日益增加。具有亞(ya) 納米級特征尺寸的量子器件已經處於(yu) 實驗室階段，意味著原子與(yu) 近原子尺度製造的時代即將到來。激光直接輻照能夠在原子層量級去除材料而不破壞亞(ya) 表麵晶格，一些輔助手段通過削弱表層原子鍵強度使得加工過程具有選擇性與(yu) 自限性進而提高了可控度，有望發展成為(wei) ACSM的主要技術之一。隨著加工精度與(yu) 表麵完整性趨近材料極限，基於(yu) 熱等離子體(ti) 激光燒蝕的加工模型難以適用，需要從(cong) 光與(yu) 材料相互作用這一基本問題入手尋找方案，尤其是以非熱形式實現材料去除的微觀過程。圖2表明不同尺度下激光去除材料的典型方式。

圖2 激光輻照下材料在不同尺度的去除過程示意，包括熱燒蝕（微米級）、庫侖(lun) 爆炸（納米級）、原子脫附與(yu) 發射（原子級）

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最新進展

本文詳細探討了微米、納米、原子及近原子尺度激光加工機理，主要包括：納米與(yu) 原子尺度下的材料非熱去除機理、原子層輔助加工方法、減小波長的優(you) 勢以及原子尺度結構加工案例。

納米與(yu) 原子尺度下的材料非熱去除機理

激光加工時光子首先被電子吸收，如果在電子向晶格傳(chuan) 熱並導致晶格溫升之前表層材料脫離基底即發生非熱去除；若在此之後晶格不出現劇烈的相變、衝(chong) 擊波等過程，就能夠在材料去除的同時獲得較高的加工表麵完整性。庫侖(lun) 爆炸是低輻照條件下納米尺度非熱去除的一種重要機製，材料表麵被電離後暫時帶正電，由於(yu) 晶格原子間距僅(jin) 為(wei) 埃米量級，表層粒子或團簇在強庫侖(lun) 斥力下被發射，其速度大、沿表麵法向附近分布且動量與(yu) 電荷態正相關(guan) ，這些特征與(yu) 燒蝕去除等離子體(ti) 羽輝中粒子的低速、電中性及大角度分布截然不同。

原子層去除機理是建立在量子理論基礎之上，且與(yu) 材料種類、表麵晶向與(yu) 重構、缺陷等微觀狀態相關(guan) 。超高真空環境下的激光輻照配合掃描隧道顯微鏡、動能分布表征等實驗表明，原子傾(qing) 向於(yu) 從(cong) 特定晶格點位或缺陷附近出射，以此作為(wei) “種子點”在原子層內(nei) 擴展，且在第一層原子被完全去除之前下層原子有維持理想晶格結構的能力（圖3）。對於(yu) 二維材料，隨著原子層去除數目逐漸減小，體(ti) 係維度發生變化並導致閾值能量密度增加，呈現出“原子尺度的尺寸效應”。

圖3 激光輻照表麵掃描隧道顯微鏡表征（a）Si(111)-7×7表麵，輻照參數：波長500 nm、脈寬28 ns、能量密度300 mJ/cm2；（b）Si(100)-2×1表麵，輻照參數：波長532 nm、脈寬7 ns、能量密度150 mJ/cm2。（a）經許可使用，版權所有（1996）Elsevier；（b）經許可使用，版權所有（1996）American Physical Society。

原子層輔助加工方法

如果能夠減弱表層原子與(yu) 其下方原子的鍵合強度，就有可能通過控製激光參數僅(jin) 切斷被弱化的原子鍵，從(cong) 而去除單個(ge) 原子層而不破壞加工表麵及亞(ya) 表麵晶格。通過在表麵吸附高電負性粒子（如鹵素分子）便能夠實現上述效果，這種輔助加工方法具有材料選擇性或自限性，即隻有那些表麵吸附與(yu) 激光輻照同時存在的區域才會(hui) 發生原子層去除，極大程度地提高了過程的可控性，在氯吸附的砷化镓以及氧吸附的金剛石體(ti) 係中得到了驗證。還可以采用該方法先製備分散的空位缺陷，然後通過常規激光輻照擴大缺陷範圍，完成整個(ge) 原子層的去除（圖4a）。另一種方法則是通過互擴散將雜質原子摻入表層，使得擴散層的閾值能量密度低於(yu) 基底，在合適的輻照強度下僅(jin) 將擴散層去除而不損傷(shang) 加工表麵（圖4b）。

圖4 原子層輔助加工方法（a）GaAs(110)表麵的原子層去除：第一步通過Br吸附輔助加工（CALID）獲得島狀分布空位，這些缺陷作為(wei) 種子點在第二步激光輻照（LID）中擴大至整個(ge) 原子層；（b）通過In原子與(yu) GaAs表層內(nei) 的Ga原子互擴散降低去除閾值。（a）經許可使用，版權所有（1998）American Physical Society；（b）經許可使用，版權所有（2018）IOP Publishing Ltd.。

減小波長的優(you) 勢

當材料帶隙大於(yu) 單光子能量時，需要通過多光子強場吸收進行電子激發。這一方麵是飛秒激光加工獲得高空間分辨力的基礎，另一方麵也帶來了納米及原子尺度晶格熱損傷(shang) 的隱患。采用短波長高光子能量便能夠在促進電子激發的同時降低輻照劑量，以庫侖(lun) 爆炸、原子層脫附等非熱方式提高加工表麵質量。超過帶隙與(yu) 電子親(qin) 和能之和的高能光子可避免電子向缺陷能級弛豫過程中的聲子發射，獲得熱變形小、側(ce) 壁陡峭、表麵平坦的微納結構。作為(wei) 短波長的典型代表之一，極紫外（EUV）波段光子能量可切斷幾乎所有化學鍵並引起強電離、強吸收，去除閾值降低可達到2個(ge) 數量級。在熱燒蝕過程中，光斑中心位置的能量沉積與(yu) 材料去除深度會(hui) 由於(yu) 表麵上方等離子體(ti) 羽輝的吸收作用而降低；而EUV光子的強電離效應能夠穿透羽輝，維持輻照表麵的電子激發與(yu) 材料去除。EUV激光已能夠在介電晶體(ti) 與(yu) 有機物表麵加工出高質量納米結構。

原子尺度結構加工案例

圖5a所示為(wei) 采用基於(yu) 互擴散摻雜的原子層輔助加工方法獲得的GaAs亞(ya) 納米深度溝槽，結合幹涉曝光能夠更高效地實現周期性“納米島狀”結構，以此為(wei) 模板可提高量子點分布的有序性。對於(yu) 二維材料，通過四波混頻技術能夠在線監測石墨碳層隨激光掃描次數的遞減過程（圖5b）；利用聚焦脈衝(chong) 激光直寫(xie) 獲得了僅(jin) 為(wei) 原子層厚度的超透鏡（圖5c）、全息圖等超薄光學器件，在寬波段實現超衍射極限聚焦等優(you) 異性能；以激光減材方式加工的單層MoS2場效應管（圖5d）具有與(yu) 原始單層形態材料可比擬的電學特性。

圖5 原子尺度結構激光加工舉(ju) 例（a）GaAs激光加工表麵與(yu) 所生長的量子點；（b）石墨碳層減薄過程，數字代表初始層數；（c）MoS2原子級平麵透鏡；（d）基於(yu) 單層MoS2的納結構與(yu) 場效應管。（a）經許可使用，版權所有（2018）IOP Publishing Ltd.；（b）經許可使用，版權所有（2015）Royal Society of Chemistry；（c）經許可使用，版權所有（2021）Springer Nature；（d）經許可使用，版權所有（2012）American Chemical Society。

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未來展望

作為(wei) 具有潛力的ACSM技術，激光加工的精度與(yu) 結構尺寸由微納米向原子尺度發展過程中存在若幹關(guan) 鍵問題有待突破，如材料能帶結構、缺陷、聲子激發等因素對原子層去除的影響機理仍需要明確，解決(jue) 這些基礎問題便可以闡明哪些激光參數（波長、脈寬、功率等）對原子尺度加工起主導作用，從(cong) 而實現確定性調控；已有研究已經體(ti) 現了選擇性、自限性機製在提高過程可控性方麵的重要作用，借助吸附、摻雜、引入缺陷等多種方式，有望實現可用於(yu) 實際生產(chan) 的原子層高效加工新方法；同時，需要深化現有激光加工技術（包括短波長光源、光束整形與(yu) 光場調控、核心光學元件設計與(yu) 製造、多尺度數值模擬等）的研究，使其能夠在更多種類材料上獲得精度、結構尺寸與(yu) 表麵完整性的提升。

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作者簡介

王金石副研究員

王金石，天津大學副研究員，從(cong) 事激光加工、原子及近原子尺度製造、超精密加工方向研究。參與(yu) 國家973計劃、國家自然科學基金重大研究計劃及重點項目、國防科工局科學挑戰計劃專(zhuan) 題項目等。發表學術論文20餘(yu) 篇，授權發明專(zhuan) 利4項。擔任International Journal of Extreme Manufacturing期刊客座編輯、Nanomanufacturing and Metrology期刊青年編委、國際生產(chan) 工程研究院（CIRP）青年會(hui) 員（Research Affiliate）、國際工程技術促進會(hui) （AET）會(hui) 員、國際納米製造學會(hui) （ISNM）會(hui) 員、中國機械工程學會(hui) 生產(chan) 工程分會(hui) 委員。

房豐(feng) 洲教授

房豐(feng) 洲，天津大學教授，長期從(cong) 事微納加工、精密製造、超精密製造、光學自由曲麵製造與(yu) 檢測的基礎理論研究與(yu) 應用開發。作為(wei) 項目負責人承擔國家973計劃、863計劃、重點研發計劃、國家自然科學基金及企業(ye) 合作等科研項目，曆年名列Elsevier “工業(ye) 與(yu) 製造工程”領域中國高被引學者榜單。國際納米製造學會(hui) （ISNM）首任主席及Nanomanufacturing and Metrology期刊主編，先後被評選為(wei) AET、ISNM、SME、CIRP等製造領域國際主要學術機構會(hui) 士。提出製造發展的三個(ge) 範式，並闡明原子及近原子尺度製造（ACSM）是“製造III”的核心使能技術。