厦门大学：金刚石激光加工新策略

近年来，随着金刚石在热管理、精密光学、量子器件、微纳制造以及高端刀具等领域的应用不断拓展，其表面微结构加工需求持续增长。通过构筑微沟槽、微柱阵列等功能结构，可进一步赋予金刚石表面减摩耐磨、传热增强、润湿调控以及光学调控等多种功能。

然而，由于金刚石具有极高硬度、高热导率、宽禁带、低光吸收率以及优异化学稳定性，传统机械加工、反应离子刻蚀、聚焦离子束等工艺普遍存在加工效率低、流程复杂等问题，而常规激光加工又受到材料吸收率低和烧蚀阈值高的限制，实现兼顾效率与加工质量仍是一项重要挑战。

近期，厦门大学洪明辉团队开展相关研究，提出了一种基底加热激光诱导等离子体辅助烧蚀新策略，为高效、高质量金刚石微结构加工提供了新的思路。相关成果以《Laser-induced plasma-assisted ablation with substrate heating for high-efficiency and high-quality microfabrication on diamond substrate》为题，发表于Optics & Laser Technology。

论文围绕“如何提升LIPAA加工效率并兼顾加工质量”展开研究。作者在传统LIPAA工艺基础上引入基底加热，通过搭建加热辅助加工系统，系统研究了不同基底温度对微沟槽尺寸、材料去除率（MRR）及表面质量的影响，同时结合EDS和拉曼光谱分析加工过程中表面氧化和石墨化行为，并进一步考察激光能量密度对加工性能的影响。

在此基础上，论文分析了基底加热促进材料去除和改善加工质量的作用机制，并利用所建立的方法制备多种表面微结构，验证其在润湿性能调控方面的应用潜力。

研究结果表明，基底加热能够有效降低金刚石烧蚀阈值，提高激光诱导等离子体加工效率。当基底温度提升至350 ℃时，微沟槽深度相比室温提高约130%，材料去除率提高61%，同时沟槽表面碎屑和裂纹明显减少，表面粗糙度进一步降低，加工质量得到改善。EDS分析显示，加热过程中仅产生轻微表面氧化；拉曼测试则表明，加热促进了加工区域石墨化，有助于材料去除，但石墨化程度需根据具体应用需求进行控制。

此外，研究还发现，提高激光能量密度能够进一步提升加工效率，但过高能量会引入更多热效应，对表面质量产生一定影响，因此需要在效率与质量之间进行优化匹配。

针对性能提升机理，论文认为，基底预热提高了金刚石初始温度，使材料达到烧蚀条件所需能量减少，从而使烧蚀阈值降低约23%。与此同时，预热减小了加工区域与周围材料之间的温度梯度，降低了热应力和冷却速率，抑制裂纹形成，并促进石墨化转变，从而实现更充分的材料去除和更均匀的加工表面。最后，研究团队利用该工艺成功制备出不同周期的微柱阵列，实现了金刚石表面由亲水向疏水的调控，验证了该方法在功能化表面制造中的应用潜力。

总体来看，该研究提出的基底加热LIPAA策略有效突破了传统激光加工金刚石效率低、质量难兼顾的瓶颈，在提升材料去除率的同时改善了加工表面质量，并能够实现功能微结构的高效制备。

研究为金刚石微纳制造技术提供了一种兼具加工效率和加工质量的新方案，也为其在热管理器件、微光学、精密加工及功能表面工程等领域的进一步应用提供了技术支撑。