俗話說(shuō)，“沒(méi)有金剛鉆，不攬瓷器活”，很直觀地反應(yīng)了自古以來(lái)人們對(duì)金剛石的印象——高硬度！作為自然界中硬度最高的材料，它不僅僅是精美貴重的寶石，還是一種應(yīng)用廣泛的工業(yè)原材料……
誰(shuí)來(lái)攬金剛鉆？
金剛石及其制品廣泛用于機(jī)械加工的磨料、工具以及耐磨器件等。因此金剛石又被譽(yù)為“工業(yè)牙齒”，它幾乎可以啃得動(dòng)任何材料！由于金剛石材料還兼具高熱傳導(dǎo)率、高耐磨性、寬帶透明性等功能性質(zhì)，也是制作各種耐磨、耐高溫、耐腐蝕、耐輻射元器件的首選材料，被廣泛地應(yīng)用于航空航天、原子能反應(yīng)堆、高功率激光器、半導(dǎo)體等領(lǐng)域的惡劣和極端的工作環(huán)境。隨著工業(yè)領(lǐng)域?qū)δ芙饎偸枨蟮牟粩嘣鲩L(zhǎng)，人工合成技術(shù)的日趨成熟，金剛石材料的價(jià)格逐步降低，這也為其大規(guī)模應(yīng)用創(chuàng)造了可能。
圖1：金剛石的性能與應(yīng)用
然而，由于其超高的硬度和穩(wěn)定的物理化學(xué)性能，當(dāng)需要對(duì)這種“工業(yè)牙齒”加工處理時(shí)，誰(shuí)來(lái)攬金剛鉆呢？
尤其是針對(duì)微小的結(jié)構(gòu)，金剛石由于其較高的硬度和較低的塑性，其加工一直是一個(gè)很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的機(jī)械加工等方式難以達(dá)到預(yù)期的加工精度和表面粗糙度，比較適合于大面積的表面加工，無(wú)法滿足功能性元器件越來(lái)越小型化、精密化的發(fā)展趨勢(shì)和要求。
激光技術(shù)的發(fā)展提供了一種先進(jìn)、低成本的加工手段。然而，目前國(guó)內(nèi)外所報(bào)道的激光直接加工金剛石所獲得的表面質(zhì)量仍然較差，粗糙度Ra大多停留在100 nm左右，離金剛石微結(jié)構(gòu)器件的需求相差甚遠(yuǎn)。開發(fā)工藝簡(jiǎn)單的激光加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)金剛石材料的高質(zhì)量、光學(xué)量級(jí)的精密加工，將在未來(lái)金剛石材料的大規(guī)模應(yīng)用中發(fā)揮重要的作用。
硬脆難加工材料的激光加工
要實(shí)現(xiàn)玻璃、陶瓷、硅、藍(lán)寶石和金剛石這類高硬度、脆性材料的高質(zhì)量激光加工，一個(gè)重要的因素是需要有效控制熱效應(yīng)的影響。由于金剛石硬度最高，金剛石的加工依賴于聚焦離子束和激光束加工，而激光憑借極高的峰值功率、精確的損傷閾值、極小的熱影響區(qū)、高的加工精度，以及適合于各種難加工超硬材料的特點(diǎn)，成為科研人員關(guān)注的焦點(diǎn)。
特別是近年來(lái)超快光學(xué)和光纖激光器的迅速發(fā)展，使得激光加工技術(shù)在激光器輸出功率、加工精度及工藝參數(shù)等方面均得到了完善和提升。受限于成本等因素，目前脈寬在微秒、納秒量級(jí)的長(zhǎng)脈寬激光器在工業(yè)加工中仍占據(jù)主流地位，但以熱去除為作用機(jī)理的加工方式會(huì)產(chǎn)生熱影響區(qū)，存在材料頻繁重鑄、表面涂層開裂等問(wèn)題，無(wú)法滿足微納尺度精細(xì)加工的應(yīng)用場(chǎng)景。
圖2：激光加工的優(yōu)勢(shì)
研究表明，加工所用激光的脈沖寬度越窄、峰值功率密度越大，越能夠有效減小加工中熱影響區(qū)及重鑄層的形成。不同晶體結(jié)構(gòu)的材料其電子與離子間的能量弛豫時(shí)間在微秒至皮秒之間，對(duì)于大部分材料，當(dāng)激光的脈寬大于10-12s時(shí)，材料的溫度達(dá)到一定程度時(shí)，開始出現(xiàn)熔化、氣化等物理現(xiàn)象。當(dāng)激光的脈寬達(dá)到皮秒、飛秒量級(jí)時(shí)，整個(gè)激光作用過(guò)程時(shí)間極短，材料的溫度瞬時(shí)達(dá)到峰值，沒(méi)來(lái)得及熔化就直接轉(zhuǎn)化為等離子狀態(tài)，加工過(guò)程將幾乎沒(méi)有熱量被自由電子傳導(dǎo)至加工區(qū)域的周圍，實(shí)現(xiàn)材料去除，因此飛秒激光的加工過(guò)程中沒(méi)有明顯的熔渣和碎屑，加工質(zhì)量高，實(shí)現(xiàn)幾乎無(wú)熱影響區(qū)的“冷加工”。
利用超快激光“冷加工”的特性，可應(yīng)用在各種材料的精細(xì)加工中，包括金屬、玻璃、藍(lán)寶石、半導(dǎo)體、塑料等，加工方式涵蓋了打孔、切割、選擇性去除、微結(jié)構(gòu)制備等，特別是近年來(lái)高端3C制造業(yè)對(duì)于加工工藝要求的不斷提升，使激光加工在消費(fèi)電子觸摸屏模組生產(chǎn)、半導(dǎo)體晶圓劃片切割、柔性太陽(yáng)能薄膜電池加工、硬脆性材料打孔、切割等領(lǐng)域展現(xiàn)出全新的應(yīng)用前景。
01微孔加工
微孔加工特別是深微孔加工一直是航空航天、新能源、生物醫(yī)療等高端制造領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)。激光打孔技術(shù)具有精度高、通用性強(qiáng)、效率高、成木低和綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，為微孔加工提供了先進(jìn)的加工手段。國(guó)內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應(yīng)用是在金剛石和天然金剛石拉扮模的生產(chǎn)及鐘表和儀表的寶石軸承、吃機(jī)葉片、多層印刷線路板等行業(yè)。
圖3：微孔加工與金剛石器件應(yīng)用
02 激光打標(biāo)
激光標(biāo)記機(jī)的市場(chǎng)是近幾年發(fā)展最快的一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)。激光標(biāo)記是利用高能量密度的激光對(duì)工件進(jìn)行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化的化學(xué)應(yīng)，從而留下永久性標(biāo)記的一種技術(shù)。由于有多種特點(diǎn)，所以應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是多種電子器件、集成電路模塊、汽車零件甚至汽車窗玻璃、醫(yī)療器械、精密儀器儀表、線路板、橡膠 制品、計(jì)算機(jī)鍵盤、手機(jī)面板、精美禮品、玻璃制品等等。
03 激光切割、劃線
激光在切割、劃線中是激光微細(xì)加工中最為廣泛的應(yīng)用之一，隨著激光器功率和光束質(zhì)量的不斷提高以及數(shù)控機(jī)床、掃描振鏡等配套技術(shù)的不斷完善，激光在加工精度和效率方面均得到大幅提升，拓展了工業(yè)高精細(xì)度切割劃的應(yīng)用范圍。激光切割主要利用激光束的高功率密度的性質(zhì)。激光束聚焦很小的光點(diǎn)，擁有巨大的能量，可將材料快速加熱，使其達(dá)到沸點(diǎn)后開始汽化，形成了空洞，再使光束與材料相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在材料表面形成切縫激光切割技術(shù)可廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時(shí)間，降低加工成本，提高工件質(zhì)量。同時(shí)，在玻璃、藍(lán)寶石、金剛石等硬脆透明材料應(yīng)用市場(chǎng)廣闊，由于材料對(duì)于不同波長(zhǎng)激光的吸收率存在差異，將不同波長(zhǎng)和脈寬的激光應(yīng)用在金剛石微細(xì)加工中是一直以來(lái)的研究重點(diǎn)，同時(shí)，由于其高硬脆特性，加工難度大，尤其對(duì)金剛石晶體進(jìn)行高質(zhì)量、低損耗的加工是一個(gè)難題，傳統(tǒng)加工方式主要為機(jī)械加工、超聲落料和化學(xué)刻蝕等。
圖4：激光加工的應(yīng)用
目前，激光切割主要應(yīng)用在航空航天工業(yè)和汽車制造業(yè)中，如飛機(jī)框架、飛機(jī)主旋翼、汽車車架等切割。另外，在消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域顯然提供了最多的證據(jù)。手機(jī)、微處理器、顯示器、內(nèi)存芯片都是極其復(fù)雜的組件，由大量的不同材料、尺寸很小、厚度極小的多層材料組成。因而需要先進(jìn)的、高精密度的加工能力，以及在經(jīng)濟(jì)上可行的大批量生產(chǎn)的能力。同步發(fā)展加工、激光技術(shù)以及新的光束傳輸技術(shù)，來(lái)滿足目前以及未來(lái)可能出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。
飛秒激光誘導(dǎo)金剛石微納結(jié)構(gòu)
另外，由于金剛石出色的性能及其色心體系對(duì)于量子科學(xué)超靈敏探測(cè)領(lǐng)域的深遠(yuǎn)意義，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多高校與頭部企業(yè)競(jìng)相開展金剛石內(nèi)部微納加工的理論和實(shí)驗(yàn)研究。
針對(duì)微結(jié)構(gòu)的加工，當(dāng)前多采用光刻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但光刻工藝流程較為復(fù)雜，成本較高，且無(wú)法直接用于材料三維和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的制備。超快激光的獨(dú)特特性使材料加工發(fā)生了迅速革命性的變化，成為有效途徑。
01“激”發(fā)金剛石無(wú)限潛能
多年來(lái)，硅和鍺一直被認(rèn)為是合適制造探測(cè)器和集成光電器件的半導(dǎo)體材料然而，與金剛石基器件相比，這種四價(jià)半導(dǎo)體的抗輻射損傷能力較差，而且在惡劣條件或高強(qiáng)光輻照下，器件的穩(wěn)定性較差近年來(lái)，金剛石因其優(yōu)異的光學(xué)與力學(xué)性能，在集成光子學(xué)傳感和量子光學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景
圖5：金剛石結(jié)構(gòu)
在金剛石晶體中，碳原子以sp3雜化軌道與另外四個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵，構(gòu)成四面體，所有價(jià)電子都參與了共價(jià)鍵的形成金剛石不僅硬度大熔點(diǎn)高高度透明，而且不導(dǎo)電金剛石廣泛應(yīng)用于電子器械機(jī)械加工石油勘探醫(yī)療等領(lǐng)域
隨著量子信息科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，金剛石由于其出色的光電性能化學(xué)穩(wěn)定性以及可在室溫下通過(guò)光學(xué)和磁共振方法實(shí)現(xiàn)自旋極化和調(diào)控的特性，有望應(yīng)用于固態(tài)量子系統(tǒng)中進(jìn)行如磁場(chǎng)電場(chǎng)應(yīng)力壓強(qiáng)溫度以及核自旋等微小物理信號(hào)的靈敏探測(cè)在高精度機(jī)械傳感方面，由于其高導(dǎo)熱性而具有低熱彈性損耗，使得機(jī)械諧振器在高頻率下工作而不受顯著阻尼的影響
此外，金剛石提供的光學(xué)透明度是自然形成的材料中最寬的，從UV區(qū)域(~225 nm)延伸到太赫茲(THz)頻率，甚至微波區(qū)域(~8000 μm)，在這些波段具有低群速度色散，因此適用于制備集成光子學(xué)器件
圖6：金剛石NV色心
近年來(lái)對(duì)金剛石光學(xué)活性缺陷中心的研究表明，在金剛石中有 500 種以上色心，它們的發(fā)射波長(zhǎng)覆蓋紫外到近紅外波段，色心表現(xiàn)出高度穩(wěn)定的單光子熒光并提供一個(gè)可控的相干電子自旋，且具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性和低聲子態(tài)密度從而導(dǎo)致低的電子-聲子耦合而且金剛石的德拜溫度極高，這使得其聲子誘導(dǎo)的相位變化概率很低因此，金剛石色心已經(jīng)成為不需要在低溫條件下操作的固態(tài)單光子發(fā)射器的唯一候選
02金剛石微納結(jié)構(gòu)加工
然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于金剛石材料本身的超高硬度高折射率和低電導(dǎo)率等特點(diǎn)，利用常規(guī)方法很難在合適的位置精確形成設(shè)計(jì)的微納結(jié)構(gòu)
要利用金剛石進(jìn)行光子器件和探測(cè)器的制造，例如在金剛石內(nèi)部直寫石墨導(dǎo)電回路等三維微納結(jié)構(gòu)以及圖案化金剛石色心，發(fā)展一種高效可控的在其內(nèi)部制備微納米結(jié)構(gòu)的方法是必須的
最近，有研究利用各向異性的等離子體斜角度蝕刻金剛石，這種角度蝕刻方法可在大塊單晶金剛石表面制造獨(dú)立的納米尺度組件，包括納米機(jī)械諧振器 光波導(dǎo)光子晶體和微盤腔等但與其他方法一樣，其制備的幾何結(jié)構(gòu)僅限于在金剛石表面
另外，傳統(tǒng)的高能射線輻照等色心制備方法很難實(shí)現(xiàn)在金剛石內(nèi)部任意位置精確誘導(dǎo)色心，限制了色心與微納光學(xué)結(jié)構(gòu)集成的空間自由度離子注入法以唯一能實(shí)現(xiàn)指定位置亞微米級(jí)精度色心分布的方法被廣泛研究，但受電子束能量和金剛石表面損傷閾值的限制，這種方法只適合在金剛石表面和較淺層位置誘導(dǎo)色心，且后續(xù)熱處理工序會(huì)對(duì)金剛石內(nèi)微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能帶來(lái)負(fù)面影響。
03飛秒激光誘導(dǎo)金剛石色心
相對(duì)而言，飛秒激光直寫技術(shù)對(duì)材料的加工基于多光子吸收等非線性過(guò)程，可在表層無(wú)損的情況下聚焦到金剛石內(nèi)部，并突破衍射極限誘導(dǎo)產(chǎn)生高空間分辨的復(fù)雜的三維微納結(jié)構(gòu)通過(guò)調(diào)整加工參數(shù)，采用飛秒激光可以在金剛石實(shí)現(xiàn)包含內(nèi)部和表面色心折射率變化微孔洞和微裂紋等多種微結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)誘導(dǎo)，并通過(guò)各種微結(jié)構(gòu)的組合制備多種功能性光電器件，這些結(jié)構(gòu)在單光子產(chǎn)生光波導(dǎo)探測(cè)等方面具有重要的應(yīng)用前景
利用飛秒激光輻照在金剛石表面形成色心的基本原理為：當(dāng)飛秒激光脈沖聚焦在金剛石表面附近，激光脈沖具有超高的峰值功率，在空氣中傳播時(shí)會(huì)形成強(qiáng)電場(chǎng)，強(qiáng)電場(chǎng)電離空氣產(chǎn)生大量電子，并加速電子沿著激光傳播方向高速行進(jìn)，高速電子轟擊金剛石晶格可產(chǎn)生晶格空穴，空穴與氮原子等雜質(zhì)原子在隨后的熱處理過(guò)程中結(jié)合產(chǎn)生色心
盡管飛秒激光直誘導(dǎo)金剛石微納結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景廣闊，但還亟需解決一些關(guān)鍵的科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題:其一，在飛秒激光直寫金剛石波導(dǎo)的過(guò)程中需要研究損耗形成的機(jī)理，開拓降低傳輸損耗和耦合損耗以及彎曲損耗的技術(shù);其二，優(yōu)化色心制備技術(shù)，精準(zhǔn)無(wú)損誘導(dǎo)色心的形成，降低后續(xù)熱處理對(duì)其色心性能的影響;其三，進(jìn)一步拓展飛秒激光誘導(dǎo)金剛石結(jié)構(gòu)在量子操控以及精密探測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用
總體來(lái)說(shuō)，激光加工憑借其高效率、低能耗、高柔性等特點(diǎn)，已經(jīng)在許多應(yīng)用領(lǐng)域里對(duì) 傳統(tǒng)加工方式進(jìn)行替代，給全球制造業(yè)帶來(lái)了革命性的轉(zhuǎn)變。隨著激光在金剛石工業(yè)領(lǐng)域滲透進(jìn)程的不斷推進(jìn)，成為實(shí)現(xiàn)金剛石功能應(yīng)用的有效工具，“激”發(fā)金剛石未來(lái)應(yīng)用無(wú)限可能！
行業(yè)活動(dòng)
基于此，2021年11月18-20日，由DT新材料&中國(guó)超硬材料網(wǎng)聯(lián)合主辦的第六屆國(guó)際碳材料大會(huì)暨產(chǎn)業(yè)展覽會(huì)——金剛石論壇將在上?？鐕?guó)采購(gòu)會(huì)展中心拉開帷幕。本屆論壇設(shè)置極端制造與超精密加工論壇，特邀廣東工業(yè)大學(xué)王成勇教授分享《超硬材料的激光加工》、吉林大學(xué)田振男副教授分享《飛秒激光加工金剛石微結(jié)構(gòu)及NV色心》……，同時(shí)設(shè)置超精密加工、激光等4個(gè)內(nèi)部研討會(huì)、特色展區(qū)，圍繞半導(dǎo)體相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈展開，從半導(dǎo)體的超精密加工技術(shù)、襯底技術(shù)、高功率器件與碳基散熱解決方案、到半導(dǎo)體電子器件前沿應(yīng)用等展開話題討論，探索金剛石應(yīng)用的無(wú)限可能！
王成勇 教授、副校長(zhǎng)
廣東工業(yè)大學(xué)
報(bào)告題目：超硬材料的激光加工
王成勇教授、博士生導(dǎo)師、現(xiàn)任廣東工業(yè)大學(xué)副校長(zhǎng)。1989年獲大連理工大學(xué)博士學(xué)位，曾先后在德國(guó)、俄羅斯、澳大利亞等地進(jìn)行學(xué)術(shù)訪問(wèn)。自1983年以來(lái)，長(zhǎng)期從事金剛石、聚晶金剛石等超硬材料工具加工理論、設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用技術(shù)研究。長(zhǎng)期擔(dān)任《金剛石磨料磨具工程》 雜志副主任編委，廣東省超硬精密工具工程技術(shù)研究中心副主任（校企聯(lián)合），現(xiàn)為教育部高等學(xué)校機(jī)械類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)委員、廣東省本科高校機(jī)械類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主任委員，廣東省高校現(xiàn)代加工技術(shù)與設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、廣東省機(jī)械工程學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、廣東省機(jī)械模具科技促進(jìn)協(xié)會(huì)專家委員會(huì)主任，全國(guó)光輻射安全和激光設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)激光材料加工和激光設(shè)備分技術(shù)委員會(huì)委員等。等。主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目12項(xiàng)（含重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)，廣東聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目2項(xiàng)）；已授權(quán)發(fā)明專利63項(xiàng)；已發(fā)表SCI論文90余篇。獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)（2019）、中國(guó)機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（2018）和廣東省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)（2014）各1項(xiàng)；獲廣東省高等學(xué)校教學(xué)名師獎(jiǎng)（2009），享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼。
田振男副教授
吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院
報(bào)告題目：飛秒激光加工金剛石微結(jié)構(gòu)及NV色心
田振男，副教授，博士生導(dǎo)師。2007畢業(yè)于吉林大學(xué)物理學(xué)院光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位，2014年畢業(yè)于吉林大學(xué)物理學(xué)院光學(xué)專業(yè)獲理學(xué)碩士學(xué)位，2017年畢業(yè)于吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院物理電子學(xué)專業(yè)獲博士學(xué)位，2018-2019年于意大利米蘭理工物理學(xué)院從事博士后研究，2017年至今在吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院任教。
到目前為止，在飛秒激光直寫微光學(xué)元件/三維光子集成器件制備與調(diào)控領(lǐng)域發(fā)表SCI論文30余篇，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利5項(xiàng)。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目1項(xiàng)，博士后面上項(xiàng)目1項(xiàng)；作為主要參加人參與國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目1項(xiàng)，國(guó)家重大項(xiàng)目1項(xiàng)。擔(dān)任OL，AOM，OE，等雜志的審稿人。
