脉冲激光烧蚀技术的研究现状及进展概要

脉冲激光烧蚀技术的研究现状及进展1

徐兵2，宋仁国

（浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室，杭州 310014）

摘要：本文综述了脉冲激光烧蚀技术的原理、特性及研究现状，并对其发展前景进行了展望。

关键词：脉冲激光烧蚀，现状，前景

Research Status and Development of Pulsed Laser Ablation Technology

Xu Bing SONG Ren-Guo

(The MOE Key Laboratory of Mechanical Manufacturing and Automation，ZheJiang University of Technology, HongZhou 310014) Abstract: This paper presents a summary on the theory, the properties and the research status of pulsed laser ablation, as well as the prospect of the development of this technology.

Keyword: pulsed laser ablation；state；prospect

一、引言

自1960年第一台激光器问世以来，人们对激光的特性进行了研究，由于激光具有高能量密度、高单色性、高相干性和高方向性等性能，从而使其在各个领域得到了广泛的应用[1-3]。

近20年来，激光制造技术已渗入到诸多高新技术领域和产业中，并开始取代或改造某些传统的加工业。尤其是纳米技术的兴起，人们对其加工技术的要求也愈来愈高。而脉冲激光烧蚀技术(Pulsed laser ablation，PLA)就是一种最近发展起来制备纳米粒子，纳米粉和纳米薄膜的高端技术。正是由于脉冲激光烧蚀技术的重要性和诱人的前景，使其成为当今世界上的研究热点之一[4-8]。

二、脉冲激光烧蚀技术的原理和特性

2.1、脉冲激光烧蚀技术的原理

60年代初，人们就发现了激光与物质的相互作用。而脉冲激光烧蚀技术就是基于此物理基础，它是用一束高能脉冲激光辐射靶材表面,使其表面迅速加热融化蒸发,随后冷却结晶的一种制备材料的技术。其工作原理是将具有很高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，此高温几乎

1浙江省自然科学基金青年科技人才培养项目R405031资助及浙江省留学回国基金Z01102001

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可以融化掉所有的材料。当激光照射到靶材表面时，一部分入射光反射，一部分入射光被吸收，一旦表面吸收的激光能量超过蒸发温度，靶材就会融化蒸发出大量原子、电子和离子，从而在靶材表面形成一个等离子体。等脉冲激光移走后，等离子体会先膨胀后迅速冷却，其中的原子就在靶对面的收集器上凝结起来，如此就能获得所需的薄膜和纳米材料，这就是脉冲激光对靶材的烧蚀全过程。其原理装置示意图如图1所示。

图1 脉冲激光烧蚀原理装置示意图

2.2、脉冲激光烧蚀技术的特性

由于脉冲激光烧蚀技术独特的物理过程，在制备材料方面与其它方技术相比，它具有很优异的特点。而目前，脉冲激光烧蚀技术的主要应用是制备纳米材料。因此，我们就重点介绍一下激光烧蚀制备纳米材料的特性。

在制备纳米粒子(当粒径更小即纳米粉)时，激光烧蚀技术采用无污染的高能激光束作为热源，可以制备实现包括难熔材料在内的多种材料纳米粒子，并且所制得的纳米粒径很小且粒度分布范围很窄。同时在制备过程中很容易控制纳米粉末的化学成分，获得的纳米粉末纯度也很高。其优点是：(1)制备周期短,一般5-15分钟即可形成纳米尺度的金属粒子；(2)实验装置简单,见图1,操作方便,可适用于不同的金属和试剂；(3)激光使靶材发生气化的时间很短,小于10ms,比激光热蒸发快103倍以上,是直接从固态到气态的相变过程；(4)适合制备任何成分固体靶材的纳米粉末,包括金属、陶瓷、高分子材料及复合材料等,尤其是对多元合金或陶瓷粉末,不会因为组元间物理性能的差异导致纳米粉末成分与靶材有很大差别；(5)制备的液相金属纳米粒子非常稳定,可保持长达6个月的时间；(6)金属纳米粒子的尺寸和性质具有很好的重复性；(7)采用Nd : YAG激光,其脉冲峰值功率高,可以把原子或团簇从金属材料上轰击出来,便于人工控制工艺条件来获得不同纳米尺度的金属粒子。

在制备纳米薄膜时，烧蚀技术所表现出的特性如下：(1)靶材广泛,几乎所有的固体、粉末、凝胶等材料都可以作靶材；(2)很适合于绝缘材料制造薄膜；(3)尤其适合于难熔材料制造薄膜；(4)能够沉积质量很高的纳米薄膜；(5)需要的样品少；(6)几乎不需要对靶材进行实验前处理；(7)通过控制实验参数,很容易实现等成分沉积、多晶、单晶薄膜沉积、晶体的定向生长；(8)制备时引入监测、

控制和分析装置从而利于研究烧蚀过程的动力学和成膜机制。(9)适用范围广，设备简单，易操作、控制且效率高，灵活性大。

激光烧蚀技术在制备纳米材料方面所具有的优越性是不容质疑的，然而由于它是一种新生技术，同样也存在一些有待解决的问题：(1)对相当多的材料,制备的材料中有熔融小颗粒或靶材碎片,这是在激光引起的爆炸过程中喷溅出来的,这些颗粒的存在大大降低了制备的材料质量,事实上,这是激光烧蚀迫切需要解决的关键问题；(2)限于目前商品激光器的输出能量,尚未有实验证明激光技术用于大面积制备的可行性,但这在理论上是可行的；(3)平均制备速率较慢,对于制备大量的纳米材料就存在着技术上的问题，即烧蚀过程中的分散性问题；(4)鉴于激光烧蚀技术设备的成本和沉积规模,目前它只适用于传感器技术、微电子技术、光学技术等高技术领域及新材料薄膜开发研制。

三、脉冲激光烧蚀技术的研究现状

早在1963年，人们对激光进行镀膜的最初概念就已经形成，到了1965年，就有科学家成功地用激光制备了光学薄膜。然而在80年代初，人们只是用近红外波段激光来制取薄膜，并且发现这与电子束蒸发镀膜很相似，没有多大的优越性。直到1987年后，有关学者发现用脉冲激光沉积的薄膜质量很高，于是脉冲激光烧蚀制备纳米材料技术获得了迅速的发展。迄今为止，按照激光的脉宽来分，脉冲激光烧蚀大致经历了三个阶段：纳秒激光烧蚀、皮秒激光烧蚀和飞秒激光烧蚀。

3.1、纳秒激光烧蚀(Nanosecond laser ablation)

纳秒激光烧蚀是以脉宽为10-9—10-10s的激光作为光源。它是激光烧蚀的初级阶段。早在1987年，Dijkkamp等人就利用纳秒激光烧蚀技术成功的沉积出高质量的高温超导薄膜[9]。而我国也相当重视激光纳米技术的研究，复旦大学吴凌晖教授等人在1994年通过时空分辨发射光谱方法来研究纳秒激光烧蚀钛靶过程产生的等离子体羽，并讨论了钛原子和一价离子密度的时间分布和演化以及激光参数的影响[10]。进入21世纪，有关纳秒激光烧蚀的研究也愈来愈多。2002年，W.Mroz 等人通过使用一种脉宽为20纳秒的KrF激光烧蚀铝和镍铝合金来制备金属间的涂层，同时揭示了沉积层的厚度取决于感光底层温度和离子能量以及沉积层的化学计量的结果分析和形态学检查[11]。同年，Alex A. Puretzky等人由原处分光镜的诊断学提出纳秒激光烧蚀合成有关单壁碳纳米电子管的三个重要问题：在烧蚀后各种时间及扩散羽辉体内纳米粒子温度的测定，羽辉体内纳米粒子团聚的监测，单壁碳纳米电子管成长率的测量[12]。最近，由于有机高聚物薄膜的特性受到人们的重视，因此有学者就开始研究制备它的方法。2004年，宋仁国教授等人采用脉宽为10ns的激光烧蚀技术在1,1,3,3-四苯基-1,3-二硅环丁烷（TPDC）单体薄膜表面上沉积了铂、铜、银等各种金属纳米粒子，然后在电炉中进行低温热聚合反应，成功地制备出了新型有机硅聚合物聚二苯基硅亚甲基硅烷（PDPhSM）基纳米复合薄膜。结果表明，铂、铜、银等各种金属纳米粒子能够有效地使TPDC发生聚合反应，且聚合效率与纳米粒子的尺寸、种类等有很强的相关性[13]。

3.2、皮秒激光烧蚀(Picosecond laser ablation)

皮秒激光烧蚀是以脉宽为10-11—10-12s的激光作为光源。随着对激光领域的