封面展示了原子尺度下激光與材料的相互作用過程。基于飛秒激光直寫的原子制造過程主要通過表層原子修正實(shí)現(xiàn)原子結(jié)構(gòu)的加工。封面強(qiáng)調(diào)了脈沖激光在原子及近原子尺度制造（ACSM）領(lǐng)域展現(xiàn)出的獨(dú)特性能優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)光與物質(zhì)相互作用過程的原子級(jí)建模與仿真，有效研究了表層原子結(jié)構(gòu)在不同激光能量下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。這些工作為推動(dòng)飛秒激光在原子制造領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。

一、研究背景

面向制造3.0時(shí)代的原子級(jí)制造技術(shù)發(fā)展迅速，催生了基于飛秒激光的非接觸式加工方案。相比之下，二維材料通過激光燒蝕可以直接實(shí)現(xiàn)原子層級(jí)的加工，而半導(dǎo)體晶體材料由于其更為穩(wěn)固的晶格結(jié)構(gòu)，使得在原子及近原子尺度上的激光加工過程更為復(fù)雜。

在飛秒級(jí)的極短脈沖作用以及納米甚至原子尺度的極小表層結(jié)構(gòu)去除或改性中，基于雙溫方程的分子動(dòng)力學(xué)（TTM-MD）建模能夠直觀地呈現(xiàn)激光加載后的動(dòng)力學(xué)演化過程。激光引發(fā)的動(dòng)力學(xué)過程包括材料表面的強(qiáng)蒸發(fā)、爆炸沸騰所產(chǎn)生的等離子體羽流，以及由內(nèi)部氣化引起的熔融材料噴射等現(xiàn)象。

然而，傳統(tǒng)的TTM-MD方法僅考慮激光入射方向上的一維作用過程，忽略了溫度和應(yīng)力場(chǎng)的橫向傳播，因此無法準(zhǔn)確反映加工區(qū)域的形成過程。這就需要進(jìn)一步開發(fā)三維TTM-MD模型，以揭示激光作用區(qū)域的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)機(jī)制，從而推動(dòng)脈沖激光在原子及近原子尺度加工中的應(yīng)用。

二、創(chuàng)新工作

天津大學(xué)房豐洲教授課題組基于開源分子動(dòng)力學(xué)模擬器(LAMMPS)開發(fā)了一種三維TTM-MD計(jì)算方法，用于模擬聚焦激光脈沖引入的表面動(dòng)力學(xué)演化過程。在超快激光作用下，物體內(nèi)部在極短時(shí)間內(nèi)存在電子和晶格兩個(gè)非平衡的子體系。通過引入粗粒電子溫度網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)雙溫模型（TTM）與分子動(dòng)力學(xué)（MD）的耦合，激光能量主要由電子子系統(tǒng)吸收，隨后通過電-聲耦合在兩個(gè)子系統(tǒng)之間進(jìn)行能量交換。此外，該方法利用電子溫度網(wǎng)格單元實(shí)現(xiàn)高斯型光束的三維能量沉積。

圖1 雙溫方程-分子動(dòng)力學(xué)耦合模型示意圖

研究人員使用3D TTM-MD模型分析了飛秒激光輻照碳化硅（SiC）時(shí)的動(dòng)力學(xué)過程。圖2展示了通過切片層截面觀測(cè)到的燒蝕羽流的產(chǎn)生和噴發(fā)過程，并揭示了此過程中的溫度場(chǎng)分布。激光作用區(qū)的中心溫度可達(dá)到數(shù)萬開爾文，高溫區(qū)域的材料噴射推動(dòng)周圍熔融材料向外排放。在中心高溫高壓區(qū)，噴射出更多的獨(dú)立原子，而較低溫度的周圍熔融材料則排放出較大體積的團(tuán)簇或小液滴。這種材料噴射行為導(dǎo)致熔融材料在燒蝕坑邊緣堆積，形成了火山口型燒蝕坑周圍的隆起結(jié)構(gòu)。隨著激光能量密度的降低，整體溫度下降，噴射去除量和熱影響區(qū)的損傷范圍也相應(yīng)縮小。

圖2 不同能量密度下的晶格溫度場(chǎng)分布及演化

通過恒壓MD模擬，研究人員分析了SiC發(fā)生爆炸沸騰的溫度條件及其產(chǎn)生的團(tuán)簇尺寸分布，并結(jié)合3D TTM-MD模擬結(jié)果揭示了激光能量密度對(duì)輻照機(jī)制的影響。結(jié)果表明，在稍高能量（>50 mJ/cm2）條件下，激光對(duì)SiC的作用包括去除和改性兩部分，主要機(jī)制為相爆炸；在20 mJ/cm2，光斑中心位置材料的改性膨脹補(bǔ)償了因少量材料氣化去除引起的結(jié)構(gòu)高度變化，并因邊緣改性隆起而形成一個(gè)碗形結(jié)構(gòu)；當(dāng)能量密度降至10 mJ/cm2時(shí)，激光-材料相互作用過程由晶向非晶的相變主導(dǎo)，未觀測(cè)到材料的去除，且此時(shí)改性層厚度僅為2 nm。

三、總結(jié)與展望

該研究開發(fā)了一種3D TTM-MD模型，全面考慮了高斯型光斑作用下材料的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過程，基于該模型，探討了不同能量密度激光輻照下的原子軌跡、溫度場(chǎng)、結(jié)構(gòu)形貌及燒蝕產(chǎn)物，并對(duì)原子及近原子尺度的表面改性和去除進(jìn)行了研究。結(jié)果表明了飛秒激光在原子尺度對(duì)SiC的表面處理能力，為其在ACSM領(lǐng)域中的材料加工提供了理論指導(dǎo)。

基于開源LAMMPS的3D TTM-MD計(jì)算模型適用于原子尺度激光-材料相互作用的研究。后續(xù)工作將引入光致電離效應(yīng)，以評(píng)估單光子能量與材料帶隙差異造成的影響，并進(jìn)一步發(fā)展適用于鍍膜材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光加工模型。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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