飞秒激光如何实现金刚石“冷加工”！

金刚石是第四代半导体的热门候选，但却极难加工。机械研磨效率低，化学处理几乎无效，电火花与磨料水射流又难以兼顾精度与损伤。

飞秒激光提供了一条非接触的解决路径。其脉冲宽度仅数百飞秒，短于电子—晶格能量弛豫的特征时间，因而能在热量向周围扩散之前完成局部改性，"低损伤"由此成为可能。

但这一优势的物理基础并不直观，需要从能量吸收与相变路径两个层面加以说明。

近日，华中科技大学张国军、黄禹团队与香港大学陆洋团队合作，在 Materials Today 发表综述，题为“Microstructure engineering of diamond via femtosecond laser machining”，把飞秒激光与金刚石之间的能量吸收、相变、石墨化、烧蚀与器件应用串成了一条线。

图1：飞秒激光加工金刚石的发展路线图，从减材制造走向器件集成。

图2：飞秒激光金刚石加工的作用机制、结构调控与功能应用。

能量吸收与相变路径

金刚石在可见—近红外波段高度透明，常规激光无法被有效吸收，这是加工面临的第一道障碍。飞秒激光的做法是将能量压缩至极短时间内，使焦点处电场强度足以驱动非线性电离：电子可同时吸收多个光子跨越禁带，即多光子电离；场强进一步提高时则以隧穿电离为主。两者共同构成金刚石中载流子的初始来源。

需要指出的是，载流子被激发并不等于材料被去除。能量还需经历两次传递：先由电子系统转移至晶格，即电子—声子耦合，时间尺度为皮秒量级；再由晶格以热的形式向外扩散，为纳秒量级。飞秒脉冲的持续时间短于前者，因此脉冲结束时能量仍集中于电子系统，晶格尚未显著升温。这是“冷加工”的物理依据：热并非没有产生，而是尚未开始传导。

然而能量守恒。脉冲结束后晶格仍将升温，只是升温被限制在焦点附近的极小体积内。因此决定加工结果的，是该体积内的能量沉积密度及其速率。

当沉积密度足够高时，晶格来不及升温，sp³ 键合网络已因电子激发而失稳，表面原子带同号电荷相互排斥而被直接剥离。该路径以非热过程为主，对周围材料的热影响很小。沉积密度较低时，能量主要经电子—声子耦合转化为晶格热，局部温度迅速上升，表层碳原子发生重排，由 sp³ 转为 sp²，即金刚石在局部转变为石墨相。

两条路径并非彼此排斥。实际加工中二者常同时发生，其相对权重由能量密度与脉冲累积次数决定。因此工艺参数的调整，实质是改变两条路径的竞争关系，而非切换某种单一机制。

石墨相一旦形成，还会进一步改变能量的沉积分布。石墨在近红外波段的吸收显著强于金刚石，后续脉冲的能量优先沉积于已石墨化区域，使转变沿该区域持续推进。这一自增强效应，是同一工艺既能制备体内电极与波导、又能形成孔槽的原因：能量沉积有限时，石墨层保留在体内；继续注入能量，石墨被气化去除，即形成烧蚀结构。

图3：飞秒激光加工金刚石的非线性能量吸收及超快物理过程

图4：飞秒激光作用下金刚石相变及材料去除时间尺度与演化路径

工艺能力与功能应用

机理既已明确，各类应用可归为同一操作的不同形式：在指定位置以指定剂量实现金刚石的局部石墨化，或在此基础上完成材料去除。差别仅在于改性发生于表面还是体内、是否伴随去除。

成形与去除。 石墨化区域在后续脉冲作用下气化剥离，逐层推进即形成孔结构。目前已实现深度 420 μm、最小腰部直径 28 μm 的沙漏形通孔，孔壁重铸层极少；铣削可加工深宽比 42 的微柱，表面粗糙度降至 Ra 33 nm。由于热影响区被限制在焦点附近，此类结构的边缘质量优于长脉冲加工。

图5：飞秒激光金刚石精密加工的代表性应用

表面光学与摩擦调控。 飞秒激光可在表面诱导周期性条纹（LIPSS），形成亚波长陷光结构，使金刚石的太阳光吸收率超过 90%；经两步正交扫描后，200–2000 nm 波段吸收率达 99%。同一策略亦可用于减反射（10–12 μm 中红外透过率 94.5%）与结构色制备。

图6：飞秒激光金刚石表面功能化的代表性应用

体内功能结构。 激光聚焦于晶体内部时仅在焦点区域引起改性，因而可在体内选择性构筑功能单元。利用激光诱导空位并结合局部退火，可实现 NV 色心的空间可控生成，引入荧光反馈后单个色心形成产率达 96%；局域石墨化可直接写入导电微电极，电阻率低至 0.01 Ω·cm；折射率改性则用于制备光波导与布拉格光栅。表面织构与体内器件因此可在同一基底上共存。

图7：飞秒激光金刚石内部功能结构制造

烧蚀机制与加工质量。石墨化区域在后续脉冲作用下气化剥离，逐层推进即形成烧蚀结构，过程包含非热原子喷射、热驱动相爆炸与随后的材料去除。烧蚀阈值、晶体取向与重复频率共同决定最终表面质量：取向不同，去除阈值与形貌不同；重复频率升高，则会加剧石墨残留、微裂纹与残余应力。因此高质量烧蚀需要在去除效率与结构完整性之间取得平衡。

图8：飞秒激光烧蚀金刚石的动态响应、结构演化与取向效应

面向制造的差距

从单点演示到可重复的量产工艺，仍有三个层面的制约。

其一是机制尚未统一。非热相变、热驱动石墨化、应力演化与动态光学反馈在文献中多被分别讨论，而在实际加工中相互耦合。缺乏统一描述，意味着工艺参数无法由目标结构反推，只能依赖经验试错。

其二是工艺窗口偏窄。脉冲能量、波长、偏振与扫描方式的微小变化，即可使结果由浅层改性转为体内石墨轨道、空洞乃至裂纹。窗口偏窄直接压缩了设备与环境的容差空间。

其三是效率与保真度的矛盾。逐点写入精度高但通量低；提高重复频率或功率虽可提升效率，却会加剧热积累与等离子体屏蔽，抵消飞秒加工的低损伤优势。

作者提出的路径包括：建立定量的“工艺—结构—性能”映射，使加工由经验优化转向可编程设计；通过多光束并行、全息分束与脉冲串模式提升通量；并在同一金刚石平台上集成表面织构、体内电极、波导与色心，实现器件级制造。

图9： 飞秒激光加工金刚石面临的挑战与未来方向

飞秒激光对金刚石的意义，不止于将加工精度推进一个量级。它使金刚石从一种只能被减材成形的超硬材料，转变为可在表面、界面与体内按需重构功能的平台。