激光微纳制造新方法和尺度极限基础研究教程Word下载.docx

1、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、置换、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

2、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

3、、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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、

14、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100-700m，重铸层5m，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

15、；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置。三、研究方案4.1 学术思路图1 项目整体学术思路4.2 技术途径4.2.1 激光制造的多维性

16、特征及其与材料的相互作用机理超快激光与材料相互作用过程是一个从纳米到毫米、从飞秒到微秒的超快、非线性、非平衡态的多尺度过程，是理解功能原理的基石。考虑多种束能吸收机理，研究超快激光光束吸收过程及其对被加工材料外层电子状态的影响。本项目采用Fokker-Planck等式计算电子激发/电离过程、改进Drude Model预测材料瞬态光学/热力学特性、玻耳兹曼输运方程计算电子导电率和电子弛豫时间。考虑多种材料相变机理，研究超快激光诱导相变过程及其对材料成形规律的影响。本项目采用等离子量子模型计算激光吸收、量子分子动力学计算电子状态改变、改进分子动力学模拟材料相变机理、改进双温模型计算电子-晶格热平衡

17、过程、改进Drude Model预测材料瞬态光学/热力学特性。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。基于多尺度量子模型预测与实验手段，研究超快激光脉冲序列设计调控电子激发/电离、以及材料瞬时局部特性、进而控制相变过程的微观物理机制，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能量耦合分布规律，及其与材料间的相互作用机制。4.2.2 基于脉冲序列设计和外层电子状态控制的激光制造（1）应用本项目提出的多尺度量子模型，研究飞秒脉冲序列中脉冲参数（数目、延迟、能量分布、波长等）对下列对象的影响机理/规律：i）瞬时（飞秒到皮秒）局

18、部（纳米到微米）电子状态，ii）瞬时（飞秒到纳秒）局部（纳米到微米）材料特性（光学、热力学等）；iii）加工过程（相变等）; iv）加工结果（质量、精度、效率）；从而理论上优化飞秒脉冲序列中脉冲参数设计，并以实验验证预测。（2）通过飞秒脉冲序列的设计和产生控制材料外层电子激发/电离过程，实现高效率高精度纳米结构制造。本课题拟采用飞秒脉冲整形器设计和产生的飞秒脉冲序列，控制被加工材料的电子激发/电离及材料相变过程。利用飞秒脉冲序列代替飞秒激光单脉冲，通过控制飞秒脉冲整形器中的空间光调制器控制激光光谱的振幅和相位分布，研究超短次脉冲的数量、能量、强度分布、延迟时间以及波长对电子激发/电离过程的影响

19、，进而控制飞秒脉冲序列产生的破坏区域尺寸，找出形成最佳破坏区域所需的特定的电离过程和电子状态规律，进而提高飞秒激光的加工精度/质量/效率。（3）飞秒脉冲序列与材料相互作用中材料特性的瞬时局部变化规律及其控制应用泵浦-探测实验检测飞秒激光脉冲序列加工过程中的瞬时局部特性。泵浦探测技术根据探测方式的不同可分为透射/反射泵浦探测实验和Raman光谱技术。透射/反射泵浦探测是一种基本的用于探测光致吸收或反射变化的泵浦探测技术。时间分辨的Raman光谱技术是利用泵浦光引起的Raman散射信号的改变，利用与泵浦光有相对延迟的探测光来记录这一信号的改变。采用泵浦探测技术可以直接检测调制后的泵浦光与样品发生作

20、用后产生瞬态的光学性质，检测外层电子状态调控的影响和效果。4.2.3 基于共振吸收的高效率高精度激光微纳跨尺度制造任何物质都具有一定的吸收谱，吸收谱中的吸收线最大处对应的波长称为中心波长，用0表示，其值由原子能级或固体物质的能带结构决定。为研究不同波长与各级能带的共振吸收规律，本项目将采用测量材料的吸收系数、反射系数，计算材料的介电常数等方法，重点研究近红外到近紫外波长范围内，光子能量与材料的分子振动/电子激发/电离间共振吸收耦合机制，期待发现的特殊/新的机制/效应应用于制造方法。（2）基于共振吸收的高精度高效率激光制造本项目中的共振吸收加工方法是利用OPA将激光的光子能量调至吸收峰值附近，对

21、材料进行加工。在共振吸收条件下，材料对激光的吸收效率可以提高几十甚至几百倍，因此能够极大的提高加工效率。除基态激发外，其它能量状态也可以产生共振吸收。（3）基于直写、近场与光镊的跨尺度激光制造以飞秒激光直写方式为基础，采用OPA和飞秒脉冲整形器对飞秒激光的波长和相邻次脉冲间的延迟时间进行调制，以实现微米级主体结构的加工。用光镊实现对微米级粒子的稳定捕获，利用微米粒子本身产生的近场完成大面积多种形状的纳米图案，也可用光镊实现微粒定位组装。4.2.4航空/新型能源关键结构/器件激光制造及性能控制（1）在燃气轮机、单晶叶片等重大关键部件激光极限制孔的基础研究理论研究短脉冲激光精密制孔工程重铸层和微裂

22、纹形成机理，探索激光制孔过程热效应极限抑制新原理和方法，提出激光与高速动态旋转光束整形、振动超声复合技术，系统开展高速光束光学部件选型、移动平台控制、软件集成、制孔路径优化、无重铸层工艺实现等技术研究。结合超声振动、同轴吹气和集尘等最大限度控制氧化层和重铸层的厚度，消除微裂纹，实现燃气轮机叶片无重铸、无微裂纹的高效精密钻孔。首先以硅基和普通玻璃为基体进行半导体薄膜的磁控溅射，继而测试薄膜的基本性能，然后在一定环境下，调试合适参数，对薄膜材料进行飞秒激光辐照，最后对材料进行性能测试，找到最优参数。研究将快速扫描技术、多光子吸收技术和非线性加工技术高度集成，辅助外界加工条件等建立一套飞秒激光诱导、

23、烧蚀多功能融合制造系统，可以重复有效实现薄膜纳米结构的制作。在理论上，分析薄膜材料表面的光学吸收特性以及损伤机理，在此基础上建立起表面光学吸收与损伤的理论模型；分析飞秒激光与薄膜相互作用的超快过程，研究其成形机理，并建立其诱导纳米结构与烧蚀损伤的联系。在材料上，选用透明玻璃为基体控制TCO薄膜的组织成分、厚度、光学性能等参数。在实验上，核心工作为绒面机构的诱导加工，通过相同条件下的表面纳米结构与不同激光参数的加工进行对比研究，探讨边界条件、功率密度（能量、聚焦特性）、光束质量（波长、偏振态、脉冲数、重复频率）等对诱导质量的影响。4.2.5面向柔性IC典型结构的激光制造基础研究（1）关于面向柔性

24、IC的石墨烯制备、调控与器件研究飞秒激光还原图案化石墨烯及其特性剪裁：探索利用改良的Hummers获得氧化程度小、水溶液分散性好的石墨烯氧化物样品；将合成的石墨烯氧化物旋涂成膜，采用飞秒激光直写的办法对石墨烯氧化物膜进行还原并进行定位还原和图案化设计。选择合适的条件对石墨烯氧化物进行还原，选择不同的还原气氛进行加工；通过调变激光功率、激光作用时间细致调变还原程度，找出石墨烯中氧含量与其带隙的相对关系，进而对其带隙进行细致的调控，以满足器件制备的需求。（2）关于面向柔性IC的石墨烯大面积激光诱导研究在微观尺度研究石墨烯在激光辐照下的结晶过程、长大方向，以实现对石墨烯晶畴形状、尺寸的控制；研究激光

25、与石墨烯生长所需金属基底的相互作用，包括对金属表面晶面取向、台阶边缘尺度/分布等因素的影响，建立石墨烯形核层数与台阶的关联，以实现对石墨烯层数的控制；跟踪石墨烯在激光辐照下的结构演变，建立热力学模型分析演变规律；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。（3）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，提出极化粒子形态（形状与粒子取向）、运动、以及在约束空间分布的描述方法，建立微重力环境下极化粒子定向迁移的动力学模型。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

26、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。4.3 创新和特色 （1）探索通过超快激光脉冲序列设计的基于外层电子状态调控的制造新方法。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）更短，这使得在加工中控制外层电子的激发/电离等过程成为可能。我们提出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），进而控制瞬时局部特性和相变过程。（2）当激光光子能量（或多光子效应下的等效光子能量）与

27、被加工材料的电子跃迁能级差相近甚至相同时，会产生共振吸收，吸收效率将比非共振时高出数十到数百倍。提出利用OPA设备选择激光光子能量并结合激光脉冲序列设计实现共振吸收，提高加工效率。（3）建立超快激光与物质相互作用的多尺度量子模型。（4）利用飞秒激光对光滑TCO透明导电膜微纳制造并赋予高效率陷光功能，建立飞秒激光TCO绒面结构的制作工艺，揭示TCO薄膜绒面成型过程的本质，大大提高入射光线在绒面上的多次反射，有效提高太阳能电池的性能。（5）提出超快激光还原石墨烯方法，在超快激光脉冲的照射下，氧化石墨烯可以还原为石墨烯，并呈现出较好的导电性。4.4 课题设置思路图2 课题设置思路及相互关系4.5 课

28、题目标与内容课题1：激光制造的多维性特征及其与材料的相互作用机理研究目标：建立超快激光与材料相互作用的多尺度量子模型，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，为超快激光微纳制造提供理论基础。研究内容：研究多种吸收机理对被加工材料电离过程以及瞬态特性的影响，探索超快激光束能吸收过程对微纳制造精度的影响。研究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。（3）超快激光微纳制造的多尺度量子模型：基于实验验证模型成果，并实现光学特性等的检测与调控。（4）制造新方法的理论基础：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

29、，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。经费比例：5%承担单位： 北京理工大学、吉林大学课题负责人：曲良体学术骨干：蔡海龙、李欣、何丽桥、曹颖课题2：基于脉冲序列设计和外层电子状态控制的激光制造采用飞秒脉冲整形器产生所需的飞秒脉冲序列，通过调节每个脉冲序列中单个小脉冲的幅度和相邻脉冲的延迟时间等参数，瞬时局部控制电子激发/电离等电子状态及相应材料相变过程，提高加工精度、质量和效率。（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，利用这种飞秒脉冲序列代替飞秒激光单脉冲进行加工。37%北京理工大学、华中科技大学 姜澜朵英贤、陆永枫、陈强华、王素梅、张海涛、陈林课题3：基于共振吸收的高效率高精度激光微纳跨尺度制造通过OPA选择光子能量并结合脉冲序列设计或多激光实现共振吸收，提高加工效率十倍以上。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，可以实现共振吸收。（1）飞秒脉冲序列设计