华侨大学，破解金刚石微结构加工难题！

金刚石硬度极高、热导率超过 2000 W/(m·K)、禁带宽度 5.47 eV，是 GaN 功率器件散热、超精密刀具和红外窗口的理想材料。但它得先在表面“做出结构”才好用——高深宽比微流道能强化散热，刃口附近的微沟槽能稳定形成润滑膜。

在金刚石上刻这些结构并不容易。目前主流是激光加工，具体又分两条路线：直接激光烧蚀（DLA）把激光聚到金刚石表面，靠瞬时高温让材料熔化、蒸发；激光诱导等离子体辅助烧蚀（LIPAA）则让激光穿过透明金刚石，打在下方金属靶上激发等离子体，从背面把结构“掏”出来。

近日，华侨大学徐西鹏、温秋玲团队在 Optics & Laser Technology 发表研究，题为“A comparative study of direct laser ablation and laser-induced plasma-assisted ablation of diamond microstructures”。从表面残留、形貌、效率到亚表面损伤，把 DLA 与 LIPAA 放在同一台激光器上做了逐项对照。

一个糊满石墨，一个几乎不留痕

两条路线的差异，首先来自能量投在哪里。DLA 必须超过金刚石烧蚀阈值（1.61 J/cm²），取 1.84–2.55 J/cm²；LIPAA 则刻意压在阈值以下，只有 0.85–1.56 J/cm²，让激光穿过样品、在靶面激发等离子体完成去除。

这个差别最直观地体现在残留上。DLA 沟槽内外糊着一层石墨重铸层，到 2.55 J/cm² 时厚达 5.6 μm；LIPAA 周围只有约 15 nm 的沉积层，且几乎不随能量变化。拉曼光谱印证了同样的分布——DLA 的石墨化信号溢出加工区，LIPAA 则严格锁在沟内。

形貌也分道扬镳。在 1.84–2.26 J/cm² 区间，DLA 沟底出现周期约 1.4 μm 的规则波纹，比激光波长本身还大，成因是温度梯度驱动熔融材料热毛细流动。LIPAA 沟底没有波纹，取而代之的是沿扫描方向的"撕裂状"形貌和侧壁毛刺——等离子体轰击的痕迹。

效率上，DLA 赢得干脆。沟槽宽 26 μm、深 24.6 μm，LIPAA 为 20 μm 和 13.7 μm；去除体积 3.78×10⁴ 对 1.57×10⁴ μm³。不过 DLA 的去除体积并非一直上升——能量到 2.26 J/cm² 后，光束边缘已不足以超过阈值，材料去除向中心集中，截面从 U 形突变为 V 形，体积反而回落。

最反直觉的一点：能量更低，损伤更厚

表面上的差别肉眼可见，看不见的那层才是真正的意外。

按常理，LIPAA 用更低的能量、热应力更小，损伤应该更轻。但 TEM 截面给出了相反结果：DLA 的损伤层约 2.2 μm，LIPAA 却有约 4 μm。

原因藏在成分里。DLA 的损伤层分层清晰，上层石墨、下层非晶碳；LIPAA 则是非晶碳、石墨与碳化铁的混合物——碳化铁的出现说明铁等离子体不只是“砸”在金刚石上，还与碳发生了化学反应。

也就是说，LIPAA 的去除是激光烧蚀、等离子体热烧蚀与机械轰击三者叠加，损伤自然更厚。这与“低能量等于低损伤”的常规认知正好相反。

一个降摩擦，一个做疏水

这些结构和损伤上的差异，最终落在两项具体性能上。

在间距 200 μm 的线性阵列上测摩擦：原始金刚石摩擦系数约 0.3，DLA 样品稳定在 0.2 附近，降低约 33%；LIPAA 样品降到 0.25，降低约 17%。DLA 的优势正来自那层石墨重铸层——石墨本身就是固体润滑剂。但它也是双刃剑，能量再高，热应力超过范德华力，重铸层就开始剥落。

LIPAA 的长处则在“形”。能量低于阈值、热应力积累小，它能做 DLA 做不到的封闭图形：间距 100 μm 的网格结构，接触角从原始的 71.56° 提升到 121°，直接进入疏水区间。而 DLA 从样品内部起刀时，裂纹会沿 [110] 方向扩展——那是金刚石断裂能最低的晶向。

怎么选，答案已经比较清楚

两条路线各自的长处，其实已经指向了不同的场景。

要效率、要高深宽比，选 DLA：适合金刚石切割，以及微孔、散热微流道这类“挖得深、去得多”的结构，顺带的石墨重铸层还能延长刀具寿命。

要形状精度、要洁净表面，选 LIPAA：适合疏水、防冰、防雾这类功能微织构，代价是效率偏低、损伤层偏厚，还需考虑铁污染与后续酸洗。

这项工作的分量不在于判定“谁更好”，而是把两条工艺的适用边界画了出来。对金刚石微结构加工来说，从模糊的优劣之争走向按场景选工艺，是更实际的一步。

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