飞秒激光加工CVD单晶金刚石的烧蚀特征和机理研究
0 引言
金刚石因其机械硬度极高、热导率优异、化学惰性强、光学带隙大等优点被广泛应用于制造业的刀具[1]、电子封装散热片[2]、高功率激光器上的光学衍射元件[3],以及半导体行业[4]等。在金刚石上制备微结构可以显著提升材料的性能。在金刚石刀具表面制造的槽型微结构可以降低切削力、平均摩擦系数和刀具磨损,从而显著提高金刚石刀具的切削性能[5-6]。DUDEK M等[7]通过优化激光的加工参数,制备了一种具有良好生物相容性的金刚石微流控装置,可获得较低的检测时间、较高的分辨率和精度。GRANADOS E等[8]在金刚石表面制作光栅微结构来降低高功率激光的反射率。在金刚石上制备微结构受到了广泛的关注,这也使得研究的焦点更加聚焦于金刚石微结构的微细加工。然而,由于金刚石具有极高的硬度(莫氏硬度为10),并且还具有极强的化学惰性,因此传统的机械或化学方法并不适合用来加工金刚石微结构[9]。目前在金刚石上制作微结构的方法主要有离子束加工[10]和激光束加工[11]。离子束加工具有原子级的加工精度,加工质量高。但由于其原子级剥离材料的去除方式,导致离子束加工效率极低[12]。同时需要真空环境,甚至还需惰性气体辅助,设备昂贵,这导致加工成本很高。激光加工可以实现非接触加工,并且因其成本低、工艺简单和刻蚀效率高,已成为一种制造金刚石微结构的先进方法。
目前研究人员主要是利用脉冲激光制备金刚石微结构。被广泛应用的脉冲激光主要有纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光。纳秒激光加工金刚石的效率较高,烧蚀速率高达几百纳米每脉冲[13],然而纳秒激光的脉冲宽度较长,加工过程中热影响显著,产生的石墨层较厚,加工区域存在明显的重熔层,导致纳秒激光加工金刚石微结构的精度和质量较差[14-15]。因此,纳秒激光主要应用于金刚石材料的切割,不适合微结构的精细加工。为了降低激光加工过程中的热影响,科研人员又尝试用脉宽更短的皮秒激光(10-12 s)和飞秒激光(10-15 s)去加工金刚石微结构。研究发现,皮秒激光和飞秒激光加工金刚石的热影响区很小、微结构表面非常干净,几乎没有烧蚀碎屑,加工质量和加工精度都明显优于纳秒激光[16-17]。与皮秒激光相比,飞秒激光拥有更高的峰值功率密度、更窄的脉冲宽度、更小的热影响区,因此飞秒激光加工金刚石微结构的效率高于皮秒激光,加工质量也比皮秒激光更好[18]。飞秒激光加工金刚石微结构也是目前的研究热点。董志伟等[19]的研究结果表明,与纳秒激光相比,用飞秒激光加工金刚石可以获得更低的烧蚀阈值和更好的烧蚀形貌。黄建衡等[20]研究了超快激光加工过程中激光的参数(如激光能量、激光扫描次数等)对金刚石微槽加工质量的影响,并利用优化的工艺参数制备了金刚石微槽阵列结构。KONONENKO T V等[21]通过比较飞秒和皮秒脉冲激光在金刚石内部制作的石墨线结构,发现使用皮秒脉冲激光加工的石墨线损伤体积更大且周围存在裂纹,而飞秒激光加工的石墨线更精细且周围无微裂纹。SUN Yu等[22]计算了飞秒激光加工金刚石的烧蚀阈值,并且通过X射线光电子能谱等手段揭示了金刚石辐照后石墨化相变的机制。目前,飞秒激光加工金刚石的研究备受关注,但是多数研究都聚焦于工艺参数优化及金刚石微结构的制备,很少有人关注激光参数对飞秒激光烧蚀金刚石的微观形貌的影响,并且飞秒激光加工金刚石的材料去除机理也有待深入研究。
本文首先研究了激光能量密度、扫描速度、扫描次数等激光加工参数对金刚石微槽边缘以及中心区域微观形貌的影响。其次,利用激光共聚焦显微镜测量了金刚石微槽的宽度、深度和体积,进一步得到了飞秒激光加工金刚石的烧蚀阈值、烧蚀速率和材料去除率。然后通过拉曼检测分析了飞秒激光辐照下金刚石的相变机理,进一步研究了激光能量密度对金刚石微槽中心区域拉曼特征峰的影响,并根据拉曼峰频率偏移量得到了飞秒激光烧蚀金刚石中心区域的微观残余应力。最后,利用ANSYS有限元仿真软件模拟了飞秒激光烧蚀金刚石温度场,并分析了金刚石材料的去除机理。
1 材料及实验方法
实验样品是化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)的单晶金刚石片(来自中国河南黄河旋风股份有限公司),金刚石片的长度为3 mm、宽度为3 mm、厚度为1 mm,如
表 1. 飞秒激光工艺参数
Table 1. Parameters of the femtosecond laser
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飞秒激光加工出金刚石微槽后,对金刚石微槽进行了一系列的检测分析,包括微观形貌表征、三维形貌表征、烧蚀产物成分分析以及微槽深度、宽度和体积的测量。本文使用场发射扫描电子显微镜(日本日立公司、SU5000)观察激光烧蚀后微槽的表面形貌情况。使用LSM700激光共聚焦显微镜(德国卡尔蔡司公司)检测激光烧蚀后微槽的尺寸。为了深入研究飞秒激光加工金刚石的材料去除机理,使用Alpha300RA扫描探针显微拉曼光谱仪(德国WITec公司)分析了金刚石微槽内部及周围的烧蚀残留物的物质成分,同时还利用ANSYS有限元软件模拟了飞秒激光烧蚀金刚石的温度场,分析了金刚石的材料去除机理。
2 结果与讨论
2.1 飞秒激光加工参数对金刚石烧蚀区微观形貌的影响
2.1.1 激光能量密度
实验中,扫描速度设置为10 mm/s,扫描次数设置为一次,激光能量密度变化范围设置为3.84~24.34 J/cm2。
图 3. 飞秒激光烧蚀金刚石微槽的裂纹和烧蚀碎屑随激光能量密度的变化关系
Fig. 3. SEM images of the micro-cracks and ablation debris at the diamond microgrooves in terms of laser fluence
进一步对飞秒激光烧蚀金刚石微槽的中心区域和边缘区域的形貌进行观测,结果如
图 4. 飞秒激光烧蚀金刚石微槽的表面微观形貌随激光能量密度的变化关系
Fig. 4. SEM images of the diamond microgrooves in terms of laser fluence
2.1.2 激光扫描速度
激光扫描速度也会影响飞秒激光加工金刚石微槽的微观形貌。实验中,设置扫描速度的变化范围为10~100 mm/s,激光能量密度设置为12.90 J/cm2,扫描次数为一次。
图 5. 飞秒激光烧蚀金刚石微槽的表面微观形貌随激光扫描速度的变化关系
Fig. 5. SEM images of diamond microgrooves in terms of scanning speed
2.1.3 扫描次数
激光扫描次数也会影响飞秒激光烧蚀金刚石微槽的微观形貌。实验中,扫描次数变化范围设置为2~10次,激光能量密度设置为12.90 J/cm2,扫描速度设置为10 mm/s。
图 6. 飞秒激光烧蚀金刚石微槽的表面微观形貌随激光扫描次数的变化关系
Fig. 6. SEM images of diamond microgrooves in terms of scanning times
2.2 烧蚀阈值、烧蚀速率和材料去除率
2.2.1 烧蚀阈值
激光去除材料所需的最小激光能量密度被当作材料的烧蚀阈值。飞秒激光与金刚石材料的相互作用具有稳定的阈值效应,即只有激光能量大于阈值的情况下才能产生有效的材料去除,能量低于烧蚀阈值不会有材料去除。但是当激光能量远远大于金刚石的烧蚀阈值时,金刚石在激光脉冲的叠加的作用下极易发生过烧蚀,导致金刚石表面形成大量的裂纹和崩边等缺陷。所以烧蚀阈值是飞秒激光加工金刚石的一个很重要的特征指标。根据文献[24],烧蚀坑直径的平方D2与激光脉冲能量Ep的对数呈线性关系,即
式中,D为烧蚀坑直径,Eth是去除金刚石所需的最低激光脉冲能量,ω0是光斑半径。因此,通过线性拟合就可以推算出烧蚀孔的直径D=0时的激光脉冲能量Eth,进一步可以得到金刚石材料的烧蚀阈值为2Eth/πω02。加工后的金刚石微槽宽度与飞秒激光脉冲能量之间变化关系如
图 7. 金刚石微槽宽度与激光脉冲能量之间的变化关系以及微槽宽度的平方和激光脉冲能量对数之间的关系
Fig. 7. Variation of the width of diamond microgrooves with laser pulse energy and linear fitting of square of microgroove width versus logarithm of the laser pulse energy
2.2.2 烧蚀速率和材料去除率
每一个激光脉冲处理后金刚石的加工深度被称为金刚石材料的烧蚀速率,其计算表达式为
式中,D是激光烧蚀深度,N是等效脉冲数。计算等效脉冲数的表达式为
式中,扫描次数k=1,激光光斑半径ω0=22.3 μm,重复频率f=50 kHz,激光扫描速度v=10 mm/s。因此,计算得到等效脉冲数为223个。为了计算金刚石的烧蚀速率,首先利用激光共聚焦显微镜对金刚石微槽的深度进行了测量。
图 8. 飞秒激光加工金刚石微槽的三维形貌和相应的截面曲线
Fig. 8. Three-dimensional morphologies and the corresponding cross-sectional curves of femtosecond laser-processed diamond microgrooves
式中,ρ=3.515 g/cm3为金刚石的密度,V是金刚石的去除体积,N是等效脉冲数。进一步用激光共聚焦显微镜对不同激光能量密度下的金刚石微槽体积进行了测量,发现随着激光能量密度从3.84 J/cm2增加到24.34 J/cm2时,微槽的平均体积从3 166 μm3增加到27 541 μm3。进一步得到了金刚石材料的去除率随激光能量密度的变化关系曲线,如
图 9. 飞秒激光加工金刚石的烧蚀速率和材料去除率随激光能量密度的变化关系曲线
Fig. 9. Variation of ablation rate and material removal rate with laser fluence for femtosecond laser processing of diamond
2.3 飞秒激光加工金刚石的拉曼分析
采用拉曼光谱检测技术,对飞秒激光加工后金刚石微槽表面及内部区域进行了测量与分析,结果如
式中,χg是2.8 cm2/s(金刚石的热扩散系数),Tg是973 K(金刚石的石墨化温度),Ts是3923 K(石墨的升华温度),τ是228 fs(飞秒激光的脉冲宽度),计算得石墨层厚度为11.1 nm。上述拉曼分析结果显示飞秒激光辐照后的金刚石发生了非晶化和石墨化。
图 10. 飞秒激光加工金刚石的拉曼光谱分析
Fig. 10. Raman spectra analysis of diamond microgrooves processed by femtosecond laser
进一步研究了在不同激光能量密度的条件下,金刚石微槽中心区域的拉曼光谱的变化规律,结果如
式中,v0为原始的金刚石拉曼峰值,ν为加工后的金刚石的拉曼峰值。因此,利用
图 11. 激光能量密度对金刚石微槽中心区域的拉曼光谱的影响
Fig. 11. Effect of different laser fluences on Raman spectra in the central region of diamond microgrooves
2.4 飞秒激光烧蚀金刚石温度场仿真
为了深入理解飞秒激光加工金刚石的材料去除机理,利用ANSYS有限元仿真软件模拟了飞秒激光烧蚀金刚石的温度场分布,仿真过程中对飞秒激光脉冲的处理与文献[29]相似。在仿真实验中简化了激光烧蚀金刚石的仿真模型,只考虑了材料与外界的对流换热以及材料表面的热传导,忽略了材料的热辐射。为了简化计算,仿真中忽略金刚石的物性参数随温度变化所带来的影响,
表 2. 单晶金刚石的物理性能[30]
Table 2. Physical properties of single crystal diamond[30]
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根据激光加工金刚石的尺寸大小,建立飞秒激光加工金刚石的仿真模型。考虑到激光具有轴对称分布的特点,将仿真中激光辐照区域设置为实际辐照区域的1/4,从而提升计算的精度和速度以及减小计算量。有限元仿真模型中单元类型选择PLANE55,在考虑了所用激光参数的情况下,模型尺寸设置为半径80 μm、厚10 μm。网格单元的尺寸一般为激光光斑尺寸的1/4或者1/5[29],考虑到计算的精度和速度,模型的单元大小选择为0.5 μm×0.5 μm。飞秒激光加工金刚石的有限元仿真模型经过简化后如
图 12. 飞秒激光加工金刚石的有限元仿真模型和飞秒激光中心位置温度随时间的变化曲线
Fig. 12. Finite element simulation model of femtosecond laser processing of diamond and Temperature versus time curve at the center of the femtosecond laser
图 13. 飞秒激光烧蚀金刚石过程中峰值功率时刻的温度分布等高线
Fig. 13. Temperature distribution contour of femtosecond laser processing of diamond at the peak power moment
图 14. 金刚石辐照区内X方向和Z方向的峰值功率时刻的温度曲线
Fig. 14. Temperature profiles along X direction and Z direction in the diamond irradiated zone at the peak power moment
3 结论
本文研究了飞秒激光能量密度、扫描速度、扫描次数对金刚石烧蚀区微观形貌的影响,计算了飞秒激光加工金刚石的烧蚀阈值、烧蚀速率和材料去除率,通过对激光烧蚀区域进行拉曼分析和温度场仿真模拟,揭示了飞秒激光烧蚀金刚石的材料去除机理。研究结果表明:1)飞秒激光烧蚀金刚石微槽的边缘干净无碎屑,但在烧蚀区域出现了沿
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