我院学者发现可以用飞秒激光来修复材料缺陷

作者:本站编辑点击:168时间:2017-11-23

      高能激光往往对材料都有烧蚀熔融等破坏作用。然而在适当条件下激光可以用来做缺陷修复。其原理就是飞秒激光非热作用。什么是飞秒激光?什么是飞秒激光非热作用?飞秒激光是指时域脉冲宽度在飞秒(毫微微秒,10的负15次方秒)量级的激光。它与材料电子的作用时间可以超短,如此超短的作用时间使得存在一种可能,那就是晶格还来不及升温,飞秒激光与材料的所有作用就都已经结束,这就是飞秒激光非热作用。飞秒激光非热作用的存在,使得飞秒激光有许多神奇的用途,如精密制孔、生物蛋白打印、瞬态光谱测量等。  

      武汉大学工业科学研究院曹强教授、彭庆教授和刘胜教授课题组日前在研究中利用飞秒激光非热作用特点,发现飞秒激光有一种修复微观缺陷的新特性。我们知道离子注入被广泛应用于全光通讯等先进光学和光电材料及器件的加工,然而在离子注入过程中产生的纳米尺度缺陷严重影响了材料和器件的质量和性质。他们采用低于加工阈值能量的飞秒激光辐照离子注入后的材料,可以使缺陷得到极大修复,该方法便利,有选择性修复的能力,而且不带来离子丢失等副作用。因此,该修复方法有望取代传统热退火为全光通讯等领域提供高质量的光学材料和器件。

     相关成果近日作为期刊封面文章发表于国际著名期刊Nanoscale(《纳米尺度》,影响因子7.367)。该论文 题为Athermally Repair Nanoscale Defects in Optical Materials Using Femtosecond Laser(《飞秒激光非热修补光学材料中的纳米尺度缺陷》)。通讯作者为曹强、彭庆。

     在全光通讯和光电器件等领域,通过离子注入掺杂金属离子,改善熔融石英等材料的光学非线性和响应时间,是一个通用的处理方法。但是离子注入过程中,引入的离子在材料晶格中产生一系列缺陷。通过理论模拟,这些缺陷主要是空位和间隙原子。这些缺陷严重影响晶体结构和线性非线性光学性质。为了减小负面影响,在离子注入过程中或者离子注入后,会引入一个修复缺陷过程,如事后的高温热退火,或者离子注入过程中采用纳秒激光同步辐照。这些过程既麻烦,操作难度高,又多伴随着离子的损失。

     研究中课题组首先通过离子注入向熔融石英里掺杂杂质离子,根据理论模拟和实验检测,在离子注入的过程中,产生大量失位原子和空穴等缺陷,伴随着掺杂原子聚集后纳米粒子的产生。之后,采用飞秒激光辐照样品,控制飞秒激光的能量、脉宽、持续时间,通过光学显微镜观测、吸收光谱检测、拉曼光谱检测,表明在远低于加工阈值的能量作用下,样品的缺陷被部分修复了。结合实验分析,课题组认为低于阈值能量的飞秒激光不能对正常晶格位置产生加工作用,但在非热作用下失位原子能有效吸收飞秒激光光子,获得足够迁移能量,样品内部在扰动下再平衡复位,实现较好的修复效果。

      在半导体材料生长领域,尤其是其中热门的二维材料,微观缺陷极大的影响材料性能。微观缺陷宽泛包括位错、失位原子及空穴、晶格化学键断裂重组等,其微观动力学行为涉及空穴和间隙原子的形成、转化、运动、迁移、演化,位错的成核、生长、运动等,这些影响如晶体非辐射复合中心的形成以及与载流子泄露通道的关系等。通过飞秒激光来调控微观缺陷的动力学行为,从而实现对缺陷的修复,将在高性能半导体材料应用上具有重要意义。

 

     ▲飞秒激光修复纳米尺度缺陷的示意图

 

     >>>论文链接:

     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