激光微纳制造新方法和尺度极限基础研究

一、研究内容

2.1 拟解决的关键科学问题

重点是超高强度（> 1012W/cm2）、超短脉冲（<10-11s）激光微纳加工的功能原理：激光与材料相互作用的物理和化学效应，质量迁移和性能演变机制与规律，作用时间和空间的演化过程。描述超快激光纳米加工过程中的量子效应、尺度效应。激光微纳制造的功能原理和尺度极限及其应用的共性基础科学问题包括：

科学问题1. 激光能量的吸收、转换、传递与掌控机制

其核心是如何建立超快激光与物质相互作用的多尺度量子模型：

a) 研究束能吸收机理，包括电子加热、带间跃迁、光致电离（多光子电离、隧道电离）、碰撞电离等及其对加工过程的影响。

b) 研究材料的物理/化学变化，包括变化机制及质量迁移，固态相变、熔化、蒸发、气化、相爆炸、临界点相分离、库仑爆炸、静电烧蚀、凝固、化合、分解、臵换、复分解等；材料高精度去除、生长、成形、改性等的物理、化学过程及机理；电子、晶格、团簇的定域能量、传递、物质输运过程与机理。涉及光子-电子-声子-等离子相互作用的基础科学问题。

科学问题2. 脉冲序列设计控制外层电子激发/电离过程

由于飞秒激光脉冲宽度比许多物理/化学特征时间（如电子和晶格的热平衡时间、甚至电子弛豫时间）更短，可以通过超快脉冲序列设计来控制/改变被加工材料电子吸收激光光子的过程（选择性激发/电离）。实现基于外层电子状态控制而改变瞬时局部特性和相变过程的高质量高精度高效率制造新方法。

科学问题3.基于共振吸收的选择性高效率制造新原理

基于分子转动、分子振动、电子激发、电子电离等多能带/能级耦合的协调共振激发，形成新的制造原理，同时结合脉冲序列调节技术并利用电子显微镜、扫描探针显微镜和光镊等实现单原子至微米跨尺度制造。通过共振吸收提高加工效率。利用OPA选择单束激光脉冲的光子能量使之与电子跃迁的某一能级差相对应，可实现共振吸收。这些尝试涉及制造、光学、物理、材料等多学科的前沿科学问题。

2.2主要研究内容

2.2.1激光制造的多维性特征及其与材料的相互作用机理

（1）激光吸收机理：光子-电子相互作用

引入量子力学理论，综合考虑自由电子加热、束缚电子激发、碰撞电离、光致电离（多光子电离、隧道电离）等多种激光吸收机理，研究不同吸收机理对被加工材料的电离过程以及瞬态热力学和光学特性的影响，探索超快激光束能吸收过程对微纳制造精度的影响。

（2）激光诱导相变机理：电子-离子相互作用

通过量子分子动力学和改进分子动力学模拟的方法，考虑熔化、相爆炸、临界点相分离、气化、库仑爆炸、静电烧蚀等多种相变机理，通过考察被加工材料熔化及碎裂的动态过程以及相应瞬态热力学特性的演化规律，揭示材料相变的微观机理和初始等离子体团形成的规律。

（3）超快激光微纳制造的多尺度量子模型

基于激光吸收和相变模型，建立超快激光与材料相互作用的多尺度量子模型；应用泵浦-探测实验系统平台，针对模型预测反射率等关键参数进行测量及调控。

（4）制造新方法的理论基础

基于理论与实验手段，研究超快激光脉冲序列设计调控电子状态的微观物理机制，揭示脉冲序列设计提高激光微纳制造加工精度等的微观机理，基于理论模型，研究不同特性的激光束多场能量耦合分布规律，及其与材料间的相互作用机制。

2.2.2. 基于脉冲序列设计和外层电子状态控制的激光制造

在制造新方法方面，通过超快激光脉冲序列设计控制/改变/调节电子激发/电离过程等瞬时局部电子状态，进而改变瞬时局部特性和相变过程的制造新方法。由于飞秒脉冲短于绝大多数化学和物理反应，比如电子和晶格的热平衡时间，甚至电子弛豫时间，通过设计超快激光脉冲序列来控制被加工材料电子吸收激光光子的过程（选择性激发/电离），以及材料瞬时局部特性，进而控制相变过程。主要研究内容包括：

（1）应用本项目提出的多尺度量子模型，揭示飞秒脉冲序列中脉冲参数对瞬时局部电子状态、瞬时局部材料特性、加工过程和加工结果的影响机理/规律，并

优化飞秒脉冲序列中脉冲参数设计。

（2）利用脉冲整形器在时域中调制飞秒激光脉冲，使每个飞秒单脉冲变成时间间隔从飞秒到皮秒的多个次脉冲。通过调节超短次脉冲的幅度及延迟时间等控制瞬时局部电子激发/电离过程，进而控制相变过程，实现高质量、高精度、高效率微纳制造。

（3）应用泵浦-探测技术直接检测调制后的泵浦光与样品发生作用产生的瞬态光学性质变化，检测对外层瞬时局部电子状态调控的效果。

2.2.

3. 基于共振吸收的高效率高精度激光微纳跨尺度制造

（1）激光-材料的相互作用机制与共振吸收的机理研究

理论研究不同特性激光束的多场能量耦合分布规律，及其共同作用下的新机制、效应、规律，以及制造新原理。研究不同波长（近红外到近紫外）与各级能带的共振吸收机理与规律，选择激光波长与所对应的分子振动/电子激发/电离间形成共振吸收耦合机制。

（2）基于共振吸收的高精度激光制造方法研究

利用OPA选择激光脉冲的光子能量使之与电子跃迁的能级差相对应，实现共振吸收，提高加工效率。选择脉冲序列中的光子能量分别与电子跃迁路径中的能级差匹配，实现共振吸收。

（3）基于直写、近场与光镊的跨尺度激光制造方法研究

以激光直写技术为基础，结合脉冲序列设计和共振吸收，实现对跨尺度结构中微米级主体结构的加工；以激光结合近场探针、纳米粒子或微米级主体自身上的纳米部分，形成局部近场，实现纳米级结构的加工；采用激光光镊实现微米量级粒子的稳定捕获，捕获后利用激光照射微米粒子自身产生的可移动近场辅助实现纳米加工，或者粒子与微器件的集成。

2.2.4. 航空/新型能源关键结构/器件激光制造及性能控制

（1）燃气轮机、单晶叶片等重大关键部件激光极限制孔的基础研究燃气轮机透平叶片孔的质量问题非常关键，几何要素方面要考虑孔的圆度、角度、锥度、形状以及入口直径，金相方面要考虑重铸层和氧化层等结构组织。采用峰值功率极高的短脉冲激光对基体进行打孔，结合高速旋转光束整形、惰性气氛保护和高频超声创新技术吹辅助的惰性气体，可使重铸层极小化，消除裂纹。

通过瞬态成像高速摄影技术观测激光加工小孔的动态演化。

（2）太阳能电池表面微纳陷光结构的激光制造

利用飞秒激光经过特殊的环境氛围，对透明导电光学薄膜（TCO）进行表面改性，使其诱导出高透射率的微纳周期结构，重点解决绒面TCO薄膜的快速激光制作以及在叠层技术中引入梯度界面层和改变窗口层质量等问题。建立一套高效、快速、稳定制作微纳结构的飞秒激光制绒工艺，以导电薄膜为研究对象，进行飞秒激光光诱导的工艺探索和多参数优化；研究飞秒激光与复合薄膜材料的作用机理，使其能快速、方便地对膜层进行精确的刻蚀。

2.2.5. 面向柔性IC典型结构的激光微纳制造基础研究

（1）超快激光与石墨烯氧化物相互作用的物理过程研究

在获得高质量石墨烯氧化物的前提下，对超快激光还原细致物理过程进行分析，深入理解石墨烯氧化物的含氧基团脱除过程，及其对石墨烯质量的影响；研究高质量石墨烯氧化物的合成及其成膜条件，得到表面平整且膜厚可控的石墨烯氧化物膜；结合飞秒瞬态吸收等超快光谱技术，研究超快激光作用下含氧基团脱除的动力学过程，研究超快激光脱氧过程可能诱导的缺陷，缺陷的存在形式及其对导电性的影响。

（2）超快激光调控石墨烯氧化物特性研究和柔性金属纳米布线基础研究研究不同气氛下超快激光还原，比较对还原产物组分和带隙特性的影响。研究超快激光还原石墨烯的能级和带隙与FET关态电流和开关比的关系；针对金属离子，研究采用超快激光光化学还原反应制备金属纳米结构的方法与条件，通过对金属离子溶液光还原、介质内部超快激光三维还原等方法中的材料组成、激光参数等因素对所加工的结构尺寸、精度的影响及机理研究，建立金属纳米结构超快激光加工制备原理与方法，为三维金属纳米柔性布线提供关键技术。

（3）超快激光制备石墨烯柔性光电子器件的研究

基于所制备的石墨烯材料制备出柔性石墨烯FET: 超快激光加工还原实现高精度的石墨烯图案化电极，调控超快激光还原参数，提高电导率和降低载流子注入势垒；基于上述研究结果，研制适于集成的独立栅石墨烯FET，把该器件与OLED器件集成在一起，形成石墨烯FET驱动的显示像素点，进一步探索多个像素点的集成互连工艺，实现石墨烯FET驱动的柔性有源矩阵OLED显示。

（4）面向柔性IC的石墨烯大面积激光诱导研究

研究石墨烯在激光辐照下的结晶过程与长大方式，激光与石墨烯生长所需金属基底的相互作用，研究石墨烯在激光辐照下的结构演变，揭示激光辐照处理对薄膜透光性和导电性的影响，实现对其光电性能的控制。

(5) 关于柔性IC纳米薄膜结构诱导沉积制造及性能调控研究

研究微重力环境中极性/非极性粒子在交变电场诱导下粒子极化和迁移运动特性，探索有机薄膜晶体管（OTFT）器件源/漏电极、有机有源层纳米薄膜结构、晶体形态等对载流子电荷注入、电荷传输性能的影响机理，研究异质界面形貌对电荷场效应转移性能以及界面张力和粘性的影响规律，建立薄膜结构参数、晶体形态参数、界面形貌参数等与OTFT器件机、电性能参数的关联模型。

二、预期目标

3.1总体目标

针对航空发动机、太阳能电池、IC等的核心构件加工中的共性基础问题，本项目研究激光微纳制造的功能原理和尺度极限，提出一套高效率、高品质、三维复杂结构、选择性激光制造的新方法并建立其多尺度量子模型。本项目提出通过超快脉冲序列设计来控制被加工材料电子吸收激光光子的过程进而控制相变过程，提高加工精度、质量和效率。提出利用光参量放大器（OPA）改变波长并结合多激光技术实现共振吸收，提高加工效率，实现选择性加工。理论方面，将建立超快激光与材料相互作用的多尺度量子模型，揭示激光能量吸收/传导机理、材料瞬时性质变化及其相变机制、成形成性规律。制备航空发动机曲面涡轮叶片微孔结构，提高太阳能电池的转换效率，向航空、新型能源器件激光制造的实用化迈出比较关键的一步，对柔性石墨烯IC的发展进行深入的前瞻性探索。推动我国先进制造技术发展，支撑国民经济与国家安全。

3.2 五年预期目标

（1）制造新模型方面，建立超快激光与材料相互作用的多尺度量子模型，研究激光制造的功能原理，揭示和掌控激光能量吸收/传导机理、材料瞬时性质变化

及其相变机制、成形成性规律。

（2）制造新方法方面，

实现一套高品质、高精度、高效率、三维复杂结构、选择性激光制造的新方法，为激光微纳制造的实用化迈出比较关键的一步。

（i）通过超快激光脉冲序列设计结合多光子效应控制电子激发/电离过程，进而实现基于外层电子状态控制改变瞬时局部特性和相变过程的制造新方法。（ii）通过共振吸收和外层电子激发/电离控制，使加工效率提高十倍以上，实现基于激光共振吸收的高效率选择性制造新方法。

（3）制造应用方面，

（i）实现在钛合金或镍钴基高温合金材料表面的高精度、高品质、高效率的激光精密钻孔，力争满足航空发动机涡轮叶片工作要求：孔径100-700μm，重铸层<5μm，无裂纹。

（ii）展示以场效应晶体管（FET）像素驱动电路为代表的原理性柔性IC的激光还原；实现三维金属纳米布线的线宽小于100nm，加工精度20nm；柔性石墨烯布线线宽小于50nm，加工精度20nm；初步实现柔性驱动下的有源矩阵OLED显示单元。实现超短脉冲激光辅助的石墨烯大面积高质量薄膜的合成。获得面向高性能、可靠电子应用的石墨烯薄膜。

（4）论文专著与专利方面：发表SCI源刊物80-160篇，其中4-7篇有重要国际影响，申报专利15-30项。

（5）人才培养方面：建立激光微纳制造领域的基础研究和技术创新基地，培养一批中青年学术带头人，使我国在该领域总体居于世界前列，部分方向处于引领位臵。