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飞秒激光加工碳化硅表面形成致密纳米结构
材料来源:广工激光实验室           录入时间:2024/3/4 21:16:13

飞秒激光作为一种具有高质量、低热影响区的加工方法逐渐被广泛应用,本论文使用飞秒激光振镜系统对碳化硅表面加工诱导出致密的纳米结构,并从纳米结构的形成、主要影响等方面进行分析,揭示了碳化硅表面纳米结构形成的机理。

 结果表明,纳米结构主要受扫描速度、激光脉冲能量以及重复频率等工艺参数的影响,而纳米结构的形成是因为重复频率较低,纳米结构无法在沟槽内部形成有效累积,只能在碳化硅表面形成絮状纳米结构。

广东工业大学机电工程学院激光微纳加工龙江游副教授使用飞秒激光振镜系统在碳化硅表面进行加工形成致密纳米结构,通过改变不同脉冲能量,发现在低能量时可以在为沟槽附近形成絮状纳米结构,当增大能量后,发现絮状纳米结构转变成了棉状结构,并使用SEM和EDS对其形貌和元素组成进行分析,通过使用ICCD相机探究激光诱导等离子体形成过程,解释了纳米结构形成机理,并总结分析得出工艺参数对纳米结构形成的影响和形成的条件。相关工作以题为 “Formation of dense nanostructures on femtosecond laser-processed silicon carbide surfaces”发表在英文期刊Surfaces and Interfaces 2022年第28期。

本论文首先使用飞秒激光振镜系统对碳化硅表面扫描沟槽,发现沟槽附近有大量致密纳米结构出现,并对纳米结构的形成进行分析。

 通过SEM和TEM进行形貌和成分分析后,发现改变不同脉冲能量,沟槽附近结构也有所变化,在低能量时,沟槽附近是致密絮状纳米结构,而当增大脉冲能量后,致密絮状纳米结构转变成了由大量球状纳米团簇组成的棉状纳米结构,同时发现当扫描速度增大时,絮状纳米结构变得较为稀疏,并对纳米结构的形成机理进行了分析。

 通过使用ICCD相机对激光诱导等离子体形成过程进行分析,发现纳米结构是由于连续的激光脉冲作用的累积效应,产生了高密度激光诱导纳米颗粒区域,并且纳米颗粒在空气中经过高温分解、重组和氧化等过程再沉积回激光照射区域,最终在表面形成絮状或棉状纳米结构。

 总结得出纳米结构受脉冲能量和激光扫描速度的影响,并发现激光脉冲的有效累积是纳米结构形成的关键因素,而在使用低重复频率时,碳化硅沟槽内无法发生有效累积,只能在表面形成絮状纳米结构。

图片解读 

图1. 飞秒激光振镜加工系统

图2. 不同脉冲能量下沟槽附近纳米结构形貌

图3. 纳米结构成分分析

图4. 不同扫描速度下沟槽附近纳米结构形貌

图5. ICCD相机观测激光诱导等离子体形成过程

图6. 改变重复频率对比纳米结构形貌差异   

论文原文:Long J, He Z, Ou D, et al. Formation of dense nanostructures on femtosecond laser-processed silicon carbide surfaces. Surfaces and Interfaces, 2022, 28: 101624.

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.surfin.2021.101624   

转自:广工激光实验室

通讯作者:谢小柱 第一作者:龙江游

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