香港理工大学：金刚石加工迎来新突破

金刚石凭借超高硬度、超高热导率、宽禁带、高击穿场强等优异性能，被认为是第四代半导体的重要候选材料，在高功率电子器件、量子器件、精密光学及高端散热等领域具有广阔应用前景。然而，也正是由于其极高的硬度和化学稳定性，使其成为目前最难加工的材料之一。传统机械加工容易造成刀具磨损和亚表面损伤，而长脉冲激光加工又容易引发熔融、热裂纹和石墨化等问题，因此，如何实现高效率、低损伤的金刚石精密加工，一直是国际研究热点。

近期，香港理工大学联合大连理工大学研究团队在《International Journal of Mechanical Sciences》发表论文“Stress-Driven Exfoliation and Structural Evolution in Diamond under Femtosecond Laser”。研究团队围绕飞秒激光作用下金刚石的材料去除机制开展系统研究，从宏观加工形貌到原子尺度结构演化，揭示了飞秒激光加工金刚石过程中由应力主导的非热材料去除机制，为高精度金刚石激光加工提供了新的理论依据。

与传统研究主要关注加工质量不同，本文更加关注飞秒激光究竟是如何去除金刚石材料的。研究首先以不同激光能量密度和不同脉宽作为变量，对飞秒激光烧蚀后的加工形貌进行了系统分析。结果表明，随着激光能量密度提高，烧蚀坑的直径和深度均不断增加，但二者受脉宽影响表现出明显不同的变化规律。350飞秒超短脉冲能够形成更深、更陡、更光滑的烧蚀坑，而随着脉宽增加至4000飞秒，烧蚀坑逐渐变宽、变浅，边缘粗糙度明显增加，并出现类似材料重新凝固的形貌特征。这说明，超短脉冲能够将能量限制在极小空间内快速释放，而较长脉宽则导致热扩散增强，使加工逐渐受到热效应影响。

为了进一步揭示材料内部发生了什么，研究团队利用拉曼光谱和截面HRTEM对加工后的金刚石进行了结构分析。结果发现，在飞秒激光作用下，金刚石内部并非简单发生熔化，而是经历了由sp³键向sp²键逐步转变的结构重构过程。随着激光能量提高，材料表面逐渐出现无定形碳和石墨化特征，最终形成由金刚石、石墨和非晶碳组成的梯度过渡层。

与此同时，拉曼谱中金刚石特征峰发生轻微蓝移，说明材料内部形成了较大的残余压应力，而并未观察到典型热熔融过程所对应的红移现象。这些实验结果共同说明，飞秒激光诱导的结构演化更符合应力辅助下的固态相变，而不是传统意义上的熔化—再凝固过程。

为了直接观察实验难以捕捉的超快动态过程，论文进一步引入分子动力学模拟，对飞秒激光照射后的原子尺度演化进行了研究。模拟结果显示，在350飞秒激光照射过程中，能量首先集中沉积于材料表层，仅数百飞秒内便形成极高的瞬态温度和压力场。

当局部应力超过金刚石晶格承受极限时，sp³键迅速失稳，材料首先发生局部非晶化，随后在高压应力释放过程中形成整体体积剥离，而不是经历液态熔融再蒸发的传统烧蚀模式。整个过程可概括为"局部非晶化—石墨化演化—应力驱动体积剥离"的连续机制，这也很好解释了实验中观察到的烧蚀坑边界清晰、热影响区极小以及表面质量较高等现象。

论文还进一步比较了不同脉宽对应力场和温度场演化的影响。模拟表明，350飞秒脉冲能够产生更高的峰值压力，应力峰值甚至远高于金刚石的屈服极限，应力波先于温度峰值形成，说明材料去除首先受到机械应力驱动；而随着脉宽增加，应力逐渐减弱，热扩散增强，加工机制开始向热主导烧蚀转变。这一规律与实验中观察到的加工形貌、拉曼谱及TEM结构分析结果相互印证，进一步证明飞秒激光加工金刚石存在由非热去除向热影响去除的连续演化过程。

总体来看，该研究通过实验表征与原子尺度模拟相结合，系统建立了飞秒激光加工金刚石的作用机制模型，提出了以应力驱动非热体积剥离为核心的新机制，突破了传统熔融烧蚀理论对飞秒激光加工过程的认识。研究不仅揭示了激光脉宽、能量密度与材料结构演化之间的内在联系，也为飞秒激光参数优化提供了理论指导。

对于金刚石半导体器件、先进散热基板、量子器件以及高精度光学元件等应用而言，高质量微纳加工能力至关重要。该论文所揭示的非热加工机制，有望推动飞秒激光在金刚石精密制造中的进一步应用，为未来高性能金刚石器件的低损伤、高效率加工提供重要理论支撑，同时也为超硬材料超快激光加工机制研究提供了新的研究思路。