我院學者發現可以用飛秒激光來修複材料缺陷

作者:本站編輯點擊:3459時間:2017-11-23

高能激光往往對材料都有燒蝕熔融等破壞作用。然而在適當條件下激光可以用來做缺陷修複。其原理就是飛秒激光非熱作用。什麼是飛秒激光?什麼是飛秒激光非熱作用?飛秒激光是指時域脈衝寬度在飛秒(毫微微秒,10的負15次方秒)量級的激光。它與材料電子的作用時間可以超短,如此超短的作用時間使得存在一種可能,那就是晶格還來不及升溫,飛秒激光與材料的所有作用就都已經結束,這就是飛秒激光非熱作用。飛秒激光非熱作用的存在,使得飛秒激光有許多神奇的用途,如精密製孔、生物蛋白打印、瞬態光譜測量等。

betvicor伟德app 曹強教授、彭慶教授和劉勝教授課題組日前在研究中利用飛秒激光非熱作用特點,發現飛秒激光有一種修複微觀缺陷的新特性。我們知道離子注入被廣泛應用於全光通訊等先進光學和光電材料及器件的加工,然而在離子注入過程中產生的納米尺度缺陷嚴重影響了材料和器件的質量和性質。他們采用低於加工閾值能量的飛秒激光輻照離子注入後的材料,可以使缺陷得到極大修複,該方法便利,有選擇性修複的能力,而且不帶來離子丟失等副作用。因此,該修複方法有望取代傳統熱退火為全光通訊等領域提供高質量的光學材料和器件。

相關成果近日作為期刊封麵文章發表於國際著名期刊Nanoscale(《納米尺度》,影響因子7.367)。該論文 題為Athermally Repair Nanoscale Defects in Optical Materials Using Femtosecond Laser(《飛秒激光非熱修補光學材料中的納米尺度缺陷》)。通訊作者為曹強、彭慶。

在全光通訊和光電器件等領域,通過離子注入摻雜金屬離子,改善熔融石英等材料的光學非線性和響應時間,是一個通用的處理方法。但是離子注入過程中,引入的離子在材料晶格中產生一係列缺陷。通過理論模擬,這些缺陷主要是空位和間隙原子。這些缺陷嚴重影響晶體結構和線性非線性光學性質。為了減小負麵影響,在離子注入過程中或者離子注入後,會引入一個修複缺陷過程,如事後的高溫熱退火,或者離子注入過程中采用納秒激光同步輻照。這些過程既麻煩,操作難度高,又多伴隨著離子的損失。

研究中課題組首先通過離子注入向熔融石英裏摻雜雜質離子,根據理論模擬和實驗檢測,在離子注入的過程中,產生大量失位原子和空穴等缺陷,伴隨著摻雜原子聚集後納米粒子的產生。之後,采用飛秒激光輻照樣品,控製飛秒激光的能量、脈寬、持續時間,通過光學顯微鏡觀測、吸收光譜檢測、拉曼光譜檢測,表明在遠低於加工閾值的能量作用下,樣品的缺陷被部分修複了。結合實驗分析,課題組認為低於閾值能量的飛秒激光不能對正常晶格位置產生加工作用,但在非熱作用下失位原子能有效吸收飛秒激光光子,獲得足夠遷移能量,樣品內部在擾動下再平衡複位,實現較好的修複效果。

在半導體材料生長領域,尤其是其中熱門的二維材料,微觀缺陷極大的影響材料性能。微觀缺陷寬泛包括位錯、失位原子及空穴、晶格化學鍵斷裂重組等,其微觀動力學行為涉及空穴和間隙原子的形成、轉化、運動、遷移、演化,位錯的成核、生長、運動等,這些影響如晶體非輻射複合中心的形成以及與載流子泄露通道的關係等。通過飛秒激光來調控微觀缺陷的動力學行為,從而實現對缺陷的修複,將在高性能半導體材料應用上具有重要意義。

▲飛秒激光修複納米尺度缺陷的示意圖

>>>論文鏈接:

Athermally Repair Nanoscale Defects in Optical Materials Using Femtosecond Laser, Nanoscale, 2017, 9, 17233 - 17240

http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2017/NR/C7NR01599B