【资讯】推动飞秒激光在原子制造领域的应用

2025-12-02 18:03:04

封面展示了原子尺度下激光与材料的相互作用过程。基于飞秒激光直写的原子制造过程主要通过表层原子修正实现原子结构的加工。封面强调了脉冲激光在原子及近原子尺度制造（ACSM）领域展现出的独特性能优势。通过对光与物质相互作用过程的原子级建模与仿真，有效研究了表层原子结构在不同激光能量下的动力学响应。这些工作为推动飞秒激光在原子制造领域的应用提供了理论指导。

一、研究背景

面向制造3.0时代的原子级制造技术发展迅速，催生了基于飞秒激光的非接触式加工方案。相比之下，二维材料通过激光烧蚀可以直接实现原子层级的加工，而半导体晶体材料由于其更为稳固的晶格结构，使得在原子及近原子尺度上的激光加工过程更为复杂。

在飞秒级的极短脉冲作用以及纳米甚至原子尺度的极小表层结构去除或改性中，基于双温方程的分子动力学（TTM-MD）建模能够直观地呈现激光加载后的动力学演化过程。激光引发的动力学过程包括材料表面的强蒸发、爆炸沸腾所产生的等离子体羽流，以及由内部气化引起的熔融材料喷射等现象。

然而，传统的TTM-MD方法仅考虑激光入射方向上的一维作用过程，忽略了温度和应力场的横向传播，因此无法准确反映加工区域的形成过程。这就需要进一步开发三维TTM-MD模型，以揭示激光作用区域的复杂动力学机制，从而推动脉冲激光在原子及近原子尺度加工中的应用。

二、创新工作

天津大学房丰洲教授课题组基于开源分子动力学模拟器(LAMMPS)开发了一种三维TTM-MD计算方法，用于模拟聚焦激光脉冲引入的表面动力学演化过程。在超快激光作用下，物体内部在极短时间内存在电子和晶格两个非平衡的子体系。通过引入粗粒电子温度网格，实现双温模型（TTM）与分子动力学（MD）的耦合，激光能量主要由电子子系统吸收，随后通过电-声耦合在两个子系统之间进行能量交换。此外，该方法利用电子温度网格单元实现高斯型光束的三维能量沉积。

图1 双温方程-分子动力学耦合模型示意图

研究人员使用3D TTM-MD模型分析了飞秒激光辐照碳化硅（SiC）时的动力学过程。图2展示了通过切片层截面观测到的烧蚀羽流的产生和喷发过程，并揭示了此过程中的温度场分布。激光作用区的中心温度可达到数万开尔文，高温区域的材料喷射推动周围熔融材料向外排放。在中心高温高压区，喷射出更多的独立原子，而较低温度的周围熔融材料则排放出较大体积的团簇或小液滴。这种材料喷射行为导致熔融材料在烧蚀坑边缘堆积，形成了火山口型烧蚀坑周围的隆起结构。随着激光能量密度的降低，整体温度下降，喷射去除量和热影响区的损伤范围也相应缩小。

图2 不同能量密度下的晶格温度场分布及演化

通过恒压MD模拟，研究人员分析了SiC发生爆炸沸腾的温度条件及其产生的团簇尺寸分布，并结合3D TTM-MD模拟结果揭示了激光能量密度对辐照机制的影响。结果表明，在稍高能量（>50 mJ/cm2）条件下，激光对SiC的作用包括去除和改性两部分，主要机制为相爆炸；在20 mJ/cm2，光斑中心位置材料的改性膨胀补偿了因少量材料气化去除引起的结构高度变化，并因边缘改性隆起而形成一个碗形结构；当能量密度降至10 mJ/cm2时，激光-材料相互作用过程由晶向非晶的相变主导，未观测到材料的去除，且此时改性层厚度仅为2 nm。

三、总结与展望

该研究开发了一种3D TTM-MD模型，全面考虑了高斯型光斑作用下材料的动力学响应过程，基于该模型，探讨了不同能量密度激光辐照下的原子轨迹、温度场、结构形貌及烧蚀产物，并对原子及近原子尺度的表面改性和去除进行了研究。结果表明了飞秒激光在原子尺度对SiC的表面处理能力，为其在ACSM领域中的材料加工提供了理论指导。

基于开源LAMMPS的3D TTM-MD计算模型适用于原子尺度激光-材料相互作用的研究。后续工作将引入光致电离效应，以评估单光子能量与材料带隙差异造成的影响，并进一步发展适用于镀膜材料的异质结构激光加工模型。

参考文献： 中国光学期刊网

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