激光在化学中的应用

激光在化学中的应用

激光(LASER)是上纪60年代发明的一种光源，是一种崭新的光源，是由激光器产生的“种光”，激光有很多特性：首先，激光是单色的，或者说是单频的，有一些激光器可以同时产生不同频率的激光，但是这些激光是互相隔离的，使用时也是分开的；其次，激光是相干光的特征，其所有的光波都是同步的，整束光就好像一个“波列”；再次，激光是高度集中的，也就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象，它的亮度最高，具有相当大的能量。近年来激光在化学中的应用也越来越广泛，随着各类激光器的研制与发展，激光化学的基础与应用研究正在向实用化纵深发展。接下来就从以下几个方面介绍激光在化学中的一些应用。

一、激光化学气相沉积法

激光化学气相沉积法(Laser Chemical V apour Deposition)(LCVD)是在真空室内放置基体，通入反应原料气体，在激光束作用下与基体表面及其附近的气体发生化学反应，在基体表面形成沉积薄膜。他具有以下几个优点：1、沉积温度低对于大多数材料可在500℃以下，甚至室温即可沉积成膜。对温度敏感的基体材料，如聚合物、陶瓷、化合物半导体等，若用常规CVD可能发生熔化、开裂或分解。激光化学气相沉积由于基体温度低，减少了因温升引起的变形、应力、开裂、扩散和夹杂等弊病，在不高的沉积温度下，就可得到高质量的薄膜和较高的沉积速度；2、局部选区精细定域沉积聚焦激光束在计算机控制下能准确选区定域沉积，获得直径在微米级的点和宽度在微米

级的线沉积，适宜于在微电子和微机械制造中应用；3、不需掩膜沉积此种沉积方式提高了激光能量利用率，可以采用直写方式沉积出设计的图案，凡激光光斑扫描过的轨迹上都形成沉积薄膜。该工艺适应性强，方便样机快速改型，制造形状不规则的零件，以及微电子器件的维修等；4、膜层纯度高，夹杂少，质量高。5、可用作成膜的材料范围广，几乎任何材料都可进行沉积。

二、激光热处理

激光热处理是20世纪7O年代以后迅速发展起来的一种高新技术，它是利用激光高能量密度的特点，把激光束作为热源对材料表面进行局部快速加热，实现相变硬化、表面改性处理等的理想工具。已有报道将激光用于高温陶瓷等的制备。由于激光与坯体无接触，没有外来污染，能瞬间达到高温，适合对高熔点的材料进行合成。同时，在烧结合成过程中，激光束能量密度高，合成速度快，有可能产生与一般加热处理不同的效果。然而激光热处理在催化剂的制备方面的应用却是一个新的研究方向。在催化剂制备中激光热处理方法可以代替高温焙烧处理催化剂前驱体，制备时间大大缩短，且干扰因素很少，是一种有一定优势的处理方法。但激光处理过大的功率、过慢的扫描速度会使催化剂晶粒增大、晶型过于完整，对催化剂活性不利。如果条件掌握适宜，与高温焙烧催化剂相比，激光处理得到的催化剂晶粒更小，晶相中易保留出现夹杂相，产生更多晶格缺陷，有利于活性的提高。

三、激光诱导腐蚀

激光诱导腐蚀是近年来发展起来的一种新的半导体器件微细加

工技术，在半导体光器件、集成光学和集成电路的制备中应用日益广泛。与激光诱导气相腐蚀相比，激光诱导液相腐蚀因为其工艺条件更加容易实现，操作更加简单而日益成为国内外研究的重点。一般的化学腐蚀方法只能依靠晶体解理面走向进行腐蚀，不能有效地按照需要控制腐蚀的形状。用常规的激光聚焦化学腐蚀方法制作具有一定深度的腐蚀孔，开始时激光光斑和腐蚀面大小相等，但容易出现一些问题：随着腐蚀的进行，深度逐渐增大，腐蚀面所在深度的激光光束半径必然发生变化，使受腐蚀的区域大小发生变化，产生横向腐蚀现象，直接影响腐蚀孔直径的控制、腐蚀孔形状和侧壁垂直度。而现在的研究中，使用抗蚀膜掩蔽法结合激光诱导液相腐蚀法，克服现有激光腐蚀方法的诸多弊端，简化激光腐蚀工艺，在特殊结构光电器件和光电集成中具有广泛的应用前景。抗蚀膜掩蔽法是指在激光腐蚀中，用抗蚀膜来实现对激光腐蚀区域的控制。此法可以有效地控制激光化学腐蚀的图像形状。，不需要对激光光束进行聚焦，光传播垂直于基片表面，制作出的腐蚀孔侧壁可以具有很高的垂直度，利用激光光束中心区域能量分布近似均匀的特点，使小面积腐蚀区域的腐蚀速率近似相等，腐蚀面内各点没有明显的高度差。

四、激光分离同位素

激光分离同位素。尤其以激光分离H、LI、U的同位素，是激光化学自七十年代以来开展的最重大应用基础课题之一。

同一元素的同位素，其物理、化学性质极为相似，因而大多难以

分离。常规法利用其物理或化学性质的微小差异来分离，由于这些常规方法的选择性较差，加上同位素的含量又很低，因而常规分离方法不但分离系数、浓缩因子都很低，而且能耗、成本都比较高，工艺装置庞大复杂。

激光分离同位素的基本原理是：根据同位素在原子光谱或分子光谱上反映出来的同位素位移，利用激光所具有的高强度、单色性和连续可调性，选择激发同位素混合物中的某一同位素，使其呈“激发态”，而同时又使该同位素混合物中的其他同位素不受激发-------仍呈基态。由于“激发态”和“基态”在物理、化学性质上有显著差异，也就可以用常规的物理或化学方法简单有效地将激发态和基态素质分开，从而达到分离同位素的目的。

五、化学反应和合成

激光辐射可以在混合物中使一种类型的分子沉积而不影响其他

类型的分子，从而可以诱导所需的化学反应。当诱导化学反应的激光波长不同时，激发的情况不同，因而反应生成物可能是很不相同的。如甲醛分子，当使用波长大于328毫微米激光辐射时，反应产物是稳定的氢气和一氧化碳分子，而用短波长辐照时，产物是活性很高的自由基HCO和H。

强红外激光辐射可把CF3Br和I2混合物很有效的转化为CF3I,在10托以上的气压下，其转化率几乎达100%。常规的合成化学方法需要在相当长的时间内对反应物进行高压加热，而激光诱导的反应是非热的，能使这种反应在低压和室温下进行，而且在很短的时间内产生

可检测的产物，几乎可得到所有类型的自由基。

六、激光诱导催化和敏化

激光还可以诱导催化反应，这时，一个激光光子可以产生几个激光光化反应分子。特别是在反应池的几何形状可以控制、使激光与反应物的相互作用发生在距池壁很远的地方的情况下，催化反应可以维持运转而不受到猝灭。已经实现了许多种激光诱导的催化反应，并且得到100左右的量子产额。例如用248毫微米KrF激光辐射光解氧硫化碳和顺二丁烯的混合物，得到反二丁烯的催化反应。

另外，可在反应物中添加不参与化学反应的敏化剂。其作用是吸收激光能量并把它转移给反应物、在一氧化氮和臭氧的反应中，六氟化硫可作为敏化剂，它是非常有效的红外辐射吸收体。在紫外和可见波段的化学反应中，常常使用各种三重态和单重态敏化剂。用激光敏化反应是副产物较少和较为干净的反应，而简单的热解常会得到各种副产物。

七、激光诱导的有机化学反应

对于有机分子，一般都具有一个或一个以上的官能团，并能通过两个或更多个途径反应，在转变某一种官能团时，希望激光能选择性的诱导所要求的功能团的反应。激光的瞬间家人可使化学反应再不必从最低能量反应路径发生。反应路径与所有激光脉冲的波长、脉宽等因素有关。例如2-碘丁烷用红外二氧化碳激光诱导与加热到312摄氏度时，反应产物的分布大不相同。

脉冲激光能在有机分子异构化反应中显著地改变化学平衡，激光