飛秒激光作為一種具有高質(zhì)量、低熱影響區(qū)的加工方法逐漸被廣泛應(yīng)用，本論文使用飛秒激光振鏡系統(tǒng)對碳化硅表面加工誘導(dǎo)出致密的納米結(jié)構(gòu)，并從納米結(jié)構(gòu)的形成、主要影響等方面進(jìn)行分析，揭示了碳化硅表面納米結(jié)構(gòu)形成的機(jī)理。

 結(jié)果表明，納米結(jié)構(gòu)主要受掃描速度、激光脈沖能量以及重復(fù)頻率等工藝參數(shù)的影響，而納米結(jié)構(gòu)的形成是因?yàn)橹貜?fù)頻率較低，納米結(jié)構(gòu)無法在溝槽內(nèi)部形成有效累積，只能在碳化硅表面形成絮狀納米結(jié)構(gòu)。

廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院激光微納加工龍江游副教授使用飛秒激光振鏡系統(tǒng)在碳化硅表面進(jìn)行加工形成致密納米結(jié)構(gòu)，通過改變不同脈沖能量，發(fā)現(xiàn)在低能量時(shí)可以在為溝槽附近形成絮狀納米結(jié)構(gòu)，當(dāng)增大能量后，發(fā)現(xiàn)絮狀納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成了棉狀結(jié)構(gòu)，并使用SEM和EDS對其形貌和元素組成進(jìn)行分析，通過使用ICCD相機(jī)探究激光誘導(dǎo)等離子體形成過程，解釋了納米結(jié)構(gòu)形成機(jī)理，并總結(jié)分析得出工藝參數(shù)對納米結(jié)構(gòu)形成的影響和形成的條件。相關(guān)工作以題為 “Formation of dense nanostructures on femtosecond laser-processed silicon carbide surfaces”發(fā)表在英文期刊Surfaces and Interfaces 2022年第28期。

本論文首先使用飛秒激光振鏡系統(tǒng)對碳化硅表面掃描溝槽，發(fā)現(xiàn)溝槽附近有大量致密納米結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，并對納米結(jié)構(gòu)的形成進(jìn)行分析。

 通過SEM和TEM進(jìn)行形貌和成分分析后，發(fā)現(xiàn)改變不同脈沖能量，溝槽附近結(jié)構(gòu)也有所變化，在低能量時(shí)，溝槽附近是致密絮狀納米結(jié)構(gòu)，而當(dāng)增大脈沖能量后，致密絮狀納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成了由大量球狀納米團(tuán)簇組成的棉狀納米結(jié)構(gòu)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)掃描速度增大時(shí)，絮狀納米結(jié)構(gòu)變得較為稀疏，并對納米結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理進(jìn)行了分析。

 通過使用ICCD相機(jī)對激光誘導(dǎo)等離子體形成過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)是由于連續(xù)的激光脈沖作用的累積效應(yīng)，產(chǎn)生了高密度激光誘導(dǎo)納米顆粒區(qū)域，并且納米顆粒在空氣中經(jīng)過高溫分解、重組和氧化等過程再沉積回激光照射區(qū)域，最終在表面形成絮狀或棉狀納米結(jié)構(gòu)。

 總結(jié)得出納米結(jié)構(gòu)受脈沖能量和激光掃描速度的影響，并發(fā)現(xiàn)激光脈沖的有效累積是納米結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵因素，而在使用低重復(fù)頻率時(shí)，碳化硅溝槽內(nèi)無法發(fā)生有效累積，只能在表面形成絮狀納米結(jié)構(gòu)。

圖片解讀 

圖1. 飛秒激光振鏡加工系統(tǒng)

圖2. 不同脈沖能量下溝槽附近納米結(jié)構(gòu)形貌

圖3. 納米結(jié)構(gòu)成分分析

圖4. 不同掃描速度下溝槽附近納米結(jié)構(gòu)形貌

圖5. ICCD相機(jī)觀測激光誘導(dǎo)等離子體形成過程

圖6. 改變重復(fù)頻率對比納米結(jié)構(gòu)形貌差異   

論文原文：Long J, He Z, Ou D, et al. Formation of dense nanostructures on femtosecond laser-processed silicon carbide surfaces. Surfaces and Interfaces, 2022, 28: 101624.

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.surfin.2021.101624   

轉(zhuǎn)自：廣工激光實(shí)驗(yàn)室

通訊作者：謝小柱 第一作者：龍江游

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