PART.01 成果介绍

碳化硅（4H-SiC）作为一种性能优异的第三代半导体材料，因其具备宽带隙、高导热性、高硬度等特性，被广泛应用于电力电子、光电器件、航空航天等领域。为了进一步提升其性能，研究人员常通过飞秒激光在SiC表面制备微纳结构，以调控其光学、电学和机械性能。

飞秒激光加工具有峰值功率高、热影响区小、加工精度高等优势，已成为微纳制造中的重要工具。其中，烧蚀阈值是衡量材料对激光响应敏感程度的关键参数，直接影响加工质量与效率。目前研究表明，烧蚀阈值受激光波长、脉冲持续时间、脉冲数量等多种因素影响，而材料表面粗糙度对烧蚀行为的影响却鲜有系统研究。

在实际加工中，不同粗糙度的表面对激光的吸收、散射和能量沉积行为存在显著差异，进而影响烧蚀形貌、阈值乃至周期性纳米结构的形成。因此，深入探究表面粗糙度对飞秒激光烧蚀4H-SiC的影响，不仅具有重要的科学意义，也为实现高质量、可控的微纳加工提供了理论依据与工艺指导。

广东工业大学机电工程学院激光微纳加工谢小柱团队对不同表面粗糙度的4H-SiC衬底在飞秒激光照射下进行了单脉冲和多脉冲激光烧蚀实验。对不同单脉冲激光能量作用下基片加工区域的形貌进行了比较，并根据不同形貌特征进行区分，同时，分析了在多脉冲激光照射下周期性结构形成的机理以及表面粗糙度对波纹类型的影响。相关研究以题为 “《Effect of surface roughness on femtosecond laser ablation of 4H-SiC substrates》”发表在期刊《Journal of Central South University》2023年第87期。

本研究对三种表面粗糙度的4H-SiC衬底（Ra=0.5 nm、5.5 nm、89 nm）进行了飞秒激光辐照烧蚀实验。系统地测量了三种表面粗糙度SiC衬底的烧蚀阈值，在单脉冲激光烧蚀实验中，随着表面粗糙度的增加，烧蚀区域的范围逐渐增大。Ra=0.5 nm和Ra=5.5 nm的样品未能产生明显的烧蚀区域，而Ra=89 nm的样品则出现了明显的烧蚀区域，并且表面呈现出不同的烧蚀特征区，包括改性区、退火区和烧蚀区。实验结果表明，较高表面粗糙度的衬底更容易发生烧蚀和表面改性，这是由于粗糙表面能更有效地吸收激光能量。在多脉冲激光照射下，SiC衬底表面生成了定向条纹结构。对于表面粗糙度Ra≥5.5 nm的样品，形成了深亚波长波纹，波纹的周期约为110 nm（Λ≈0.2λ）。此外，随着激光脉冲数（N≥500）的增加，烧蚀阈值逐渐降低，并最终趋于稳定。多脉冲激光的累积效应使得材料的烧蚀阈值随着脉冲数的增加而降低，从而使得材料更加容易被去除。

实验还表明，表面粗糙度的增加有助于多脉冲激光诱导的周期性波纹结构的生成。Ra≥5.5 nm的表面能生成深亚波长波纹，并且随着粗糙度的增加，波纹的范围和深度也随之增加。

PART.02 图片解读

图1. 飞秒激光加工示意图

图2.不同表面粗糙度SiC单脉冲激光辐照后的表面形貌:(a)飞秒激光脉冲改性的物理过程及其阈值影响;(b−d)不同激光脉冲能量作用下的表面粗糙度

图3. 不同表面粗糙度下SiC单脉冲激光辐照特征阈值拟合曲线:(a) 0.5 nm;(b) 5.5 nm;(c) 89 nm

图4. (a)表面形貌;(b)烧蚀阈值多脉冲拟合曲线;(c)脉冲数及其对应的烧蚀阈值的幂函数模型

图5.10次脉冲作用下不同表面粗糙度SiC表面波纹形貌:(a) 0.5 nm;(b) 5.5 nm;(c) 89 nm

图6. LIPSS电磁形成机理示意图:(a)激光辐射(红色)从顶部冲击样品;(b)其最初的表面粗糙度导致光学散射，可能导致spp的激发，这些spp干扰入射光并调制"印在"材料中的吸收通量图;(c)最后，调制烧蚀导致周期性表面结构

论文原文：

CHEN Jian-qiang, XIE Xiao-zhu, PENG Qing-fa, HE Zi-yu, HU Wei, REN Qing-lei, LONG Jiangyou. Effect of surface roughness on femtosecond laser ablation of 4H-SiC substrates [J]. Journal of Central South.

论文链接:

https://doi.org/10.1007/s11771-022-5136-0

转自：广工激光实验室

通讯作者：谢小柱

第一作者：陈建锵

注：文章版权归原作者所有，本文内容、图片、视频来自网络，仅供交流学习之用，如涉及版权等问题，请您告知，我们将及时处理。