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郑州华晶金刚石股份有限公司

极端制造与超精密加工:“激”发金刚石未来应用无限可能

关键词 金刚石|2021-10-21 10:02:52|来源 Carbontech
摘要 俗话说,“没有金刚钻,不揽瓷器活”,很直观地反应了自古以来人们对金刚石的印象——高硬度!作为自然界中硬度最高的材料,它不仅仅是精美贵重的宝石,还是一种应用广泛的工业原材料……谁来揽...

俗话说,“没有金刚钻,不揽瓷器活”,很直观地反应了自古以来人们对金刚石的印象——高硬度!作为自然界中硬度最高的材料,它不仅仅是精美贵重的宝石,还是一种应用广泛的工业原材料……

谁来揽金刚钻?  

金刚石及其制品广泛用于机械加工的磨料、工具以及耐磨器件等。因此金刚石又被誉为“工业牙齿”,它几乎可以啃得动任何材料!由于金刚石材料还兼具高热传导率、高耐磨性、宽带透明性等功能性质,也是制作各种耐磨、耐高温、耐腐蚀、耐辐射元器件的首选材料,被广泛地应用于航空航天、原子能反应堆、高功率激光器、半导体等领域的恶劣和极端的工作环境。随着工业领域对功能金刚石需求的不断增长,人工合成技术的日趋成熟,金刚石材料的价格逐步降低,这也为其大规模应用创造了可能。


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然而,由于其超高的硬度和稳定的物理化学性能,当需要对这种“工业牙齿”加工处理时,谁来揽金刚钻呢?

尤其是针对微小的结构,金刚石由于其较高的硬度和较低的塑性,其加工一直是一个很大的技术挑战。传统的机械加工等方式难以达到预期的加工精度和表面粗糙度,比较适合于大面积的表面加工,无法满足功能性元器件越来越小型化、精密化的发展趋势和要求。

激光技术的发展提供了一种先进、低成本的加工手段。然而,目前国内外所报道的激光直接加工金刚石所获得的表面质量仍然较差,粗糙度Ra大多停留在100 nm左右,离金刚石微结构器件的需求相差甚远。开发工艺简单的激光加工技术,实现金刚石材料的高质量、光学量级的精密加工,将在未来金刚石材料的大规模应用中发挥重要的作用。

硬脆难加工材料的激光加工 

要实现玻璃、陶瓷、硅、蓝宝石和金刚石这类高硬度、脆性材料的高质量激光加工,一个重要的因素是需要有效控制热效应的影响。由于金刚石硬度最高,金刚石的加工依赖于聚焦离子束和激光束加工,而激光凭借极高的峰值功率、精确的损伤阈值、极小的热影响区、高的加工精度,以及适合于各种难加工超硬材料的特点,成为科研人员关注的焦点。

特别是近年来超快光学和光纤激光器的迅速发展,使得激光加工技术在激光器输出功率、加工精度及工艺参数等方面均得到了完善和提升。受限于成本等因素,目前脉宽在微秒、纳秒量级的长脉宽激光器在工业加工中仍占据主流地位,但以热去除为作用机理的加工方式会产生热影响区,存在材料频繁重铸、表面涂层开裂等问题,无法满足微纳尺度精细加工的应用场景。


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研究表明,加工所用激光的脉冲宽度越窄、峰值功率密度越大,越能够有效减小加工中热影响区及重铸层的形成。不同晶体结构的材料其电子与离子间的能量弛豫时间在微秒至皮秒之间,对于大部分材料,当激光的脉宽大于10-12s时,材料的温度达到一定程度时,开始出现熔化、气化等物理现象。当激光的脉宽达到皮秒、飞秒量级时,整个激光作用过程时间极短,材料的温度瞬时达到峰值,没来得及熔化就直接转化为等离子状态,加工过程将几乎没有热量被自由电子传导至加工区域的周围,实现材料去除,因此飞秒激光的加工过程中没有明显的熔渣和碎屑,加工质量高,实现几乎无热影响区的“冷加工”。

利用超快激光“冷加工”的特性,可应用在各种材料的精细加工中,包括金属、玻璃、蓝宝石、半导体、塑料等,加工方式涵盖了打孔、切割、选择性去除、微结构制备等,特别是近年来高端3C制造业对于加工工艺要求的不断提升,使激光加工在消费电子触摸屏模组生产、半导体晶圆划片切割、柔性太阳能薄膜电池加工、硬脆性材料打孔、切割等领域展现出全新的应用前景。

01 微孔加工

微孔加工特别是深微孔加工一直是航空航天、新能源、生物医疗等高端制造领域中的关键技术。激光打孔技术具有精度高、通用性强、效率高、成木低和综合技术经济效益显著等优点,已成为现代制造领域的关键技术之一,为微孔加工提供了先进的加工手段。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在金刚石和天然金刚石拉扮模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、吃机叶片、多层印刷线路板等行业。


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02 激光打标

激光标记机的市场是近几年发展最快的一项应用技术。激光标记是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射,使表层材料汽化或发生颜色变化的化学应,从而留下永久性标记的一种技术。由于有多种特点,所以应用越来越广泛,特别是多种电子器件、集成电路模块、汽车零件甚至汽车窗玻璃、医疗器械、精密仪器仪表、线路板、橡胶 制品、计算机键盘、手机面板、精美礼品、玻璃制品等等。

03 激光切割、划线

激光在切割、划线中是激光微细加工中最为广泛的应用之一,随着激光器功率和光束质量的不断提高以及数控机床、扫描振镜等配套技术的不断完善,激光在加工精度和效率方面均得到大幅提升,拓展了工业高精细度切割划的应用范围。激光切割主要利用激光束的高功率密度的性质。激光束聚焦很小的光点,拥有巨大的能量,可将材料快速加热,使其达到沸点后开始汽化,形成了空洞,再使光束与材料相对运动,在材料表面形成切缝激光切割技术可广泛应用于金属和非金属材料的加工中,可大大减少加工时间,降低加工成本,提高工件质量。同时,在玻璃、蓝宝石、金刚石等硬脆透明材料应用市场广阔,由于材料对于不同波长激光的吸收率存在差异,将不同波长和脉宽的激光应用在金刚石微细加工中是一直以来的研究重点,同时,由于其高硬脆特性,加工难度大,尤其对金刚石晶体进行高质量、低损耗的加工是一个难题,传统加工方式主要为机械加工、超声落料和化学刻蚀等。


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目前,激光切割主要应用在航空航天工业和汽车制造业中,如飞机框架、飞机主旋翼、汽车车架等切割。另外,在消费电子产品领域显然提供了最多的证据。手机、微处理器、显示器、内存芯片都是极其复杂的组件,由大量的不同材料、尺寸很小、厚度极小的多层材料组成。因而需要先进的、高精密度的加工能力,以及在经济上可行的大批量生产的能力。同步发展加工、激光技术以及新的光束传输技术,来满足目前以及未来可能出现的挑战。

飞秒激光诱导金刚石微纳结构  

另外,由于金刚石出色的性能及其色心体系对于量子科学、超灵敏探测领域的深远意义,近年来,国内外众多高校与头部企业竞相开展金刚石内部微纳加工的理论和实验研究。
针对微结构的加工,当前多采用光刻技术来实现。但光刻工艺流程较为复杂,成本较高,且无法直接用于材料三维和内部结构的制备。超快激光的独特特性使材料加工发生了迅速革命性的变化,成为有效途径。

01 “激”发金刚石无限潜能

多年来,硅和锗一直被认为是合适制造探测器和集成光电器件的半导体材料。然而,与金刚石基器件相比,这种四价半导体的抗辐射损伤能力较差,而且在恶劣条件或高强光辐照下,器件的稳定性较差。近年来,金刚石因其优异的光学与力学性能,在集成光子学、传感和量子光学等领域展现了巨大的应用前景。


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在金刚石晶体中,碳原子以sp3杂化轨道与另外四个碳原子形成共价键,构成四面体,所有价电子都参与了共价键的形成。金刚石不仅硬度大、熔点高、高度透明,而且不导电。金刚石广泛应用于电子器械、机械加工、石油勘探、医疗等领域。

随着量子信息科学技术的蓬勃发展,金刚石由于其出色的光电性能、化学稳定性以及可在室温下通过光学和磁共振方法实现自旋极化和调控的特性,有望应用于固态量子系统中进行如磁场、电场、应力、压强、温度以及核自旋等微小物理信号的灵敏探测。在高精度机械传感方面,由于其高导热性而具有低热弹性损耗,使得机械谐振器在高频率下工作而不受显著阻尼的影响。

此外,金刚石提供的光学透明度是自然形成的材料中最宽的,从UV区域(~225 nm)延伸到太赫兹(THz)频率,甚至微波区域(~8000 μm),在这些波段具有低群速度色散,因此适用于制备集成光子学器件。


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近年来对金刚石光学活性缺陷中心的研究表明,在金刚石中有 500 种以上色心,它们的发射波长覆盖紫外到近红外波段,色心表现出高度稳定的单光子荧光并提供一个可控的相干电子自旋,且具有长期的稳定性和低声子态密度从而导致低的电子-声子耦合。而且金刚石的德拜温度极高,这使得其声子诱导的相位变化概率很低。因此,金刚石色心已经成为不需要在低温条件下操作的固态单光子发射器的唯一候选。

02 金刚石微纳结构加工

然而在实际应用中,由于金刚石材料本身的超高硬度、高折射率和低电导率等特点,利用常规方法很难在合适的位置精确形成设计的微纳结构。

要利用金刚石进行光子器件和探测器的制造,例如在金刚石内部直写石墨导电回路等三维微纳结构以及图案化金刚石色心,发展一种高效可控的在其内部制备微纳米结构的方法是必须的。

最近,有研究利用各向异性的等离子体斜角度蚀刻金刚石,这种角度蚀刻方法可在大块单晶金刚石表面制造独立的纳米尺度组件,包括纳米机械谐振器 、光波导、光子晶体和微盘腔等。但与其他方法一样,其制备的几何结构仅限于在金刚石表面。

另外,传统的高能射线辐照等色心制备方法很难实现在金刚石内部任意位置精确诱导色心,限制了色心与微纳光学结构集成的空间自由度。离子注入法以唯一能实现指定位置亚微米级精度色心分布的方法被广泛研究,但受电子束能量和金刚石表面损伤阈值的限制,这种方法只适合在金刚石表面和较浅层位置诱导色心,且后续热处理工序会对金刚石内微纳结构的光学性能带来负面影响。

03 飞秒激光诱导金刚石色心

相对而言,飞秒激光直写技术对材料的加工基于多光子吸收等非线性过程,可在表层无损的情况下聚焦到金刚石内部,并突破衍射极限诱导产生高空间分辨的复杂的三维微纳结构。通过调整加工参数,采用飞秒激光可以在金刚石实现包含内部和表面色心、折射率变化、微孔洞和微裂纹等多种微结构的精准诱导,并通过各种微结构的组合制备多种功能性光电器件,这些结构在单光子产生、光波导、探测等方面具有重要的应用前景。

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利用飞秒激光辐照在金刚石表面形成色心的基本原理为:当飞秒激光脉冲聚焦在金刚石表面附近,激光脉冲具有超高的峰值功率,在空气中传播时会形成强电场,强电场电离空气产生大量电子,并加速电子沿着激光传播方向高速行进,高速电子轰击金刚石晶格可产生晶格空穴,空穴与氮原子等杂质原子在随后的热处理过程中结合产生色心。

尽管飞秒激光直诱导金刚石微纳结构的应用前景广阔,但还亟需解决一些关键的科学和技术问题:其一,在飞秒激光直写金刚石波导的过程中需要研究损耗形成的机理,开拓降低传输损耗和耦合损耗以及弯曲损耗的技术;其二,优化色心制备技术,精准无损诱导色心的形成,降低后续热处理对其色心性能的影响;其三,进一步拓展飞秒激光诱导金刚石结构在量子操控以及精密探测等领域的应用。

总体来说,激光加工凭借其高效率、低能耗、高柔性等特点,已经在许多应用领域里对 传统加工方式进行替代,给全球制造业带来了革命性的转变。随着激光在金刚石工业领域渗透进程的不断推进,成为实现金刚石功能应用的有效工具,“激”发金刚石未来应用无限可能!

行业活动

基于此,2021年11月18-20日,由DT新材料&中国超硬材料网联合主办的第六届国际碳材料大会暨产业展览会——金刚石论坛将在上海跨国采购会展中心拉开帷幕。本届论坛设置极端制造与超精密加工论坛,特邀广东工业大学王成勇教授分享《超硬材料的激光加工》、吉林大学田振男副教授分享《飞秒激光加工金刚石微结构及NV色心》……,同时设置超精密加工、激光等4个内部研讨会、特色展区,围绕半导体相关产业链展开,从半导体的超精密加工技术、衬底技术、高功率器件与碳基散热解决方案、到半导体电子器件前沿应用等展开话题讨论,探索金刚石应用的无限可能!

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王成勇教授、博士生导师、现任广东工业大学副校长。1989年获大连理工大学博士学位,曾先后在德国、俄罗斯、澳大利亚等地进行学术访问。自1983年以来,长期从事金刚石、聚晶金刚石等超硬材料工具加工理论、设计、制造及应用技术研究。长期担任《金刚石磨料磨具工程》 杂志副主任编委,广东省超硬精密工具工程技术研究中心副主任(校企联合),现为教育部高等学校机械类专业教学指导委员会委员、广东省本科高校机械类专业教学指导委员会主任委员,广东省高校现代加工技术与设计重点实验室主任、广东省机械工程学会副理事长、广东省机械模具科技促进协会专家委员会主任,全国光辐射安全和激光设备标准化技术委员会激光材料加工和激光设备分技术委员会委员等。等。主持国家自然科学基金项目12项(含重点项目1项,广东联合基金重点项目2项);已授权发明专利63项;已发表SCI论文90余篇。获国家科技进步二等奖(2019)、中国机械工业科学技术奖一等奖(2018)和广东省科学技术一等奖(2014)各1项;获广东省高等学校教学名师奖(2009),享受国务院政府特殊津贴。

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田振男,副教授,博士生导师。2007毕业于吉林大学物理学院光信息科学与技术专业获理学学士学位,2014年毕业于吉林大学物理学院光学专业获理学硕士学位,2017年毕业于吉林大学电子科学与工程学院物理电子学专业获博士学位,2018-2019年于意大利米兰理工物理学院从事博士后研究,2017年至今在吉林大学电子科学与工程学院任教。

到目前为止,在飞秒激光直写微光学元件/三维光子集成器件制备与调控领域发表SCI论文30余篇,申请国家发明专利5项。作为项目负责人主持国家自然科学基金项目1项,博士后面上项目1项;作为主要参加人参与国家重大科研仪器研制项目1项,国家重大项目1项。担任OL,AOM,OE,等杂志的审稿人。

  参会联系

      

 刘小雨

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