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为解决碳化硅光学元件化学机械抛光（CMP）过程中铈污染限制其在高功率激光系统应用的问题，研究人员结合多尺度表征和分子动力学模拟展开研究。结果表明铈污染会深入元件内部，离子束 finishing 可有效去除。该研究为精确除铈提供指导。
在高功率激光系统的舞台上，光学元件犹如精密的舞者，它们的稳定表现至关重要。以往，熔融石英凭借自身优势在高功率激光系统中占据重要地位，然而其沉重的 “身躯”，在设计用于超轻量化应用时困难重重，尤其在制造大口径元件时，巨大的质量会引发严重的重力变形。此时，碳化硅光学元件崭露头角，它凭借超轻的重量、高导热性以及出色的刚度，吸引了众多科研人员的目光。经研究发现，碳化硅镜子的激光损伤阈值是熔融石英镜子的 1.7 倍，即便存在缺陷，其仍能保持较高的激光损伤阈值，这让它成为高功率激光系统光学元件的有力候选者。
但碳化硅光学元件在走向实际应用的道路上并非一帆风顺。化学机械抛光（CMP）技术，作为超精密制造的得力助手，能实现原子级精度和全局平坦化，在集成电路、液晶显示以及碳化硅光学元件制造等领域广泛应用。其中，氧化铈（CeO2）作为常用的研磨剂，虽然能高效去除材料且对光学元件损伤小，却带来了一个棘手的问题 —— 铈污染。铈污染就像隐藏在光学元件中的 “破坏分子”，它会强烈吸收激光，导致局部温度升高，进而引发激光诱导损伤。可现有的研究大多聚焦于改进氧化铈研磨剂的物理化学性质，对于光学元件上和内部铈污染残留的形式与机制，尤其是碳化硅光学元件在 CMP 过程中的残留情况，却鲜有人深入探究。
为了攻克这一难题，来自国内的研究人员挺身而出。他们围绕碳化硅光学元件在 CMP 过程中的铈污染问题展开研究，结合多尺度表征和分子动力学模拟等手段，试图揭开铈污染的神秘面纱。最终，研究取得了重要成果，相关论文发表在《Applied Surface Science》上。这一研究成果对于推动碳化硅光学元件在高功率激光系统中的广泛应用意义非凡，为精确去除残留铈污染物提供了关键的理论和实践指导。
研究人员开展此项研究时，采用了多种关键技术方法。运用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析残留污染物和界面形态变化；利用 X 射线光电子能谱（XPS）和飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）精确确定铈物种的化学状态和三维分布；借助反应力场（ReaxFF）分子动力学（MD）模拟从原子尺度阐明铈污染物与基底之间的键合相互作用；还使用离子束 finishing 技术来去除残留的铈污染，并验证其有效性。
研究结果
- 铈污染分布特征：研究人员通过 TOF-SIMS、XPS 和 TEM 等表面分析技术对碳化硅光学元件抛光后的样品进行检测，发现铈污染不仅存在于元件表面，还会向内部延伸，在碳化硅的非晶硅层中，铈污染浓度随深度呈指数下降，最深可达约 31nm。这表明铈污染在元件内部的分布有其特定规律，并非均匀存在。
- 铈污染沉积机制：借助 ReaxFF MD 模拟，研究人员从原子尺度观察到在抛光过程中，氧化铈与镜子之间会形成 Ce-O-Si 键。这一化学键的形成是铈在非晶硅中保留的关键因素，揭示了铈污染沉积的内在机制，让人们对铈污染的形成有了更深入的理解。
- 污染去除验证：研究人员采用离子束 finishing 技术对含有铈污染的碳化硅光学元件进行处理，实验结果证实该技术能够有效去除铈污染物。这为解决碳化硅光学元件的铈污染问题提供了切实可行的方法，为其在高功率激光系统中的应用扫除了一大障碍。
研究结论与讨论
研究人员通过多种表面分析技术和模拟手段，系统地研究了碳化硅光学元件在 CMP 过程中的铈污染问题。明确了铈污染在元件中的浓度分布规律，即随着深度增加呈指数下降，最深可至 31nm；揭示了 Ce-O-Si 键在铈污染沉积过程中的关键作用；同时验证了离子束 finishing 技术去除铈污染的有效性。
这一研究成果意义重大。在理论层面，它填补了碳化硅光学元件 CMP 过程中铈污染研究的空白，让人们对铈污染的形成和分布机制有了更清晰的认识。在实际应用方面，为高功率激光系统中碳化硅光学元件的制造提供了关键指导，有助于严格控制铈污染，提高光学元件的激光损伤阈值，推动碳化硅光学元件在高功率激光领域更广泛的应用，从而为高功率激光系统的发展注入新的活力。
