高品级单晶金刚石激光加工机理及工艺研究

田博宇

Tian Boyu

上海交通大学 能源与动力工程

1.设计目的

单晶金刚石性能优异，却是典型的难加工材料，严重制约了相关基础及应用研究进展。近年来，脉冲激光加工技术已逐渐推广用于单晶金刚石的切割、抛光及微纳结构加工，但在加工过程中易出现石墨化、位错生成等问题，进而影响量子等功能特性，相关影响机理尚不明确，加工工艺有待优化。针对上述问题，本课题构建了脉冲激光加工金刚石的宏观、微观过程仿真模型，得出了激光加工过程中关键物理场的变化规律以及应力波传播、位错扩展的规律；将激光加工与材料性能表征试验相结合，系统研究了脉冲激光加工参数对单晶金刚石核心性能评价指标的影响规律，据此完成了加工工艺参数的优化。

2.基本原理及方法

由人工合成金刚石加工得到器件需要经历切割、抛光、表面处理、缺陷处理 4 道工序。在这 4 道工序中，激光加工的应用十分广泛。纳秒激光可以用来切割单晶金刚石的外延多晶层；纳秒和飞秒激光也常用于抛光金刚石和加工表面的微纳结构；飞秒激光直写可以诱导金刚石内部NV色心的生成。为了探究激光加工对金刚石性能的影响机理并实现工艺优化，本课题采用的方法如下：

利用多物理场仿真软件COMSOL构建脉冲激光加工金刚石的宏观过程计算模型，模拟激光作用于样件时温度场、应力场、不可逆转变场的变化过程；利用分子动力学计算软件Lammps构建脉冲激光加工金刚石的微观过程计算模型，模拟激光作用于样件时晶体结构的变化过程；采用多种表征手段对激光加工前后的单晶金刚石样件进行性能表征，分析得出激光参数对金刚石性能的影响规律；设计最优激光加工参数并进行验证。

3.主要设计过程或试验过程

1）脉冲激光加工金刚石的宏观过程仿真分析

在脉冲激光加工金刚石的过程中存在短时且局部的高温与高压。高温高压可对金刚石产生不可逆的影响，高温将导致金刚石石墨化以及汽化烧蚀，高压将导致金刚石出现位错与裂纹。采用有限元仿真软件COMSOL构建脉冲激光加工金刚石的宏观过程仿真模型。首先进行了网格无关性验证，随后分别研究了表面抛光、侧面切割与单点辐照 3 种典型工况下激光加工工艺参数对关键物理场的影响规律，深入对比分析了热模型与双温度模型在计算飞秒激光与物质相互作用时的差异。最后结合半无限大物体一维非稳态导热模型推导得出预测物质去除率的解析解模型。

2）脉冲激光加工金刚石的微观过程分子动力学计算分析

在脉冲激光加工金刚石的过程中，存在一系列复杂的机理：应力波的形成与传播、位错的形成与发展、残余应力的产生，这些微观过程难以通过有限元仿真进行准确建模。采用分子动力学计算软件Lammps构建了脉冲激光加工单晶及多晶（用于模拟外延多晶切除过程）金刚石的微观过程计算模型，分析加工过程中的应力场变化规律，并深入探讨了应力波及残余应力对位错的影响；此外还对比讨论了宏观仿真与微观计算的主要异同。

3）脉冲激光加工金刚石工艺优化

将激光加工与材料性能表征试验相结合，系统地研究了脉冲激光加工参数对单晶金刚石核心性能评价指标的影响规律，据此完成了加工工艺参数的优化（激光功率 P = 10 W，激光重复率 f = 8 kHz，光斑移动速度 v = 10 mm/s），并实现了从（100）到（111）晶面的高精度激光切割加工。

4.结论

（1）双温度模型模拟了电子亚系统和晶格亚系统的温度变化规律以及相互影响规律。与热模型相比，有着比脉宽大很多的弛豫时间和显著变小的晶格最大温度，说明飞秒激光与材料相互作用时具有更小的非热作用。

（2）当激光作用于单晶金刚石样件时，样件内有应力波出现，计算得到的应力波波速与金刚石中的声速相近。应力波是样件内出现位错的主要原因。激光加工结束后，在激光加热区域与未加热区域的交界处存在残余应力，这是因为该处温度梯度大且同时存在金刚石、石墨、无定型碳 3 种物质。

（3）飞秒脉冲激光加工优化参数为：激光功率 P = 9 W，激光脉冲数 N = 5，激光脉宽 t 0= 200fs。纳秒脉冲激光加工优化参数为：激光功率 P = 10 W，激光重复率 f = 8 kHz，光斑移动速度 v = 10 mm/s。

（4）在相同工艺参数下加工（111）晶面的表面粗糙度较低，是因为（111）晶面的热导率高于（100）晶面，热量从（111）晶面输入样件后可以更迅速地向周围传播，样件内温度分布更均匀。

5.创新点

（1）采用双温度模型准确地模拟了飞秒脉冲激光与金刚石材料的相互作用。采用半无限大物体一维非稳态导热模型推导得出样件最高温度、烧蚀深度的解析解模型，与采用有限元仿真得到的数值解相近。

（2）利用分子动力学计算软件Lammps构建飞秒脉冲激光加工单晶及多晶（用于模拟外延多晶切除过程）金刚石的微观过程计算模型，准确地计算出应力波的形成与传播过程、残余应力的分布规律，并深入探讨了应力波、残余应力对位错的影响。

（3）实现了从（100）到（111）晶面的高精度激光切割加工，并探讨了在相同工艺参数下加工（111）晶面的表面粗糙度较低的原因。

6.设计图或作品实物图

采用飞秒脉冲激光单点辐照后的金刚石样件如图 1 所示，采用纳秒脉冲激光切割得到的单晶金刚石（111）晶面如图 2 所示。

高校指导教师：王新昶；企业指导教师：褚洪建 uChtpWuDiJVIhJYqGXL0Vt3BK48mxflNvGHEV7BzBXcG/mYlIgk4cYl6W4RmzXXx