关于激光冲击作用下纳米线间隙形成机制的研究

《Optics & Laser Technology》：Study on the formation mechanism of nanowire gap by laser shock

本研究提出通过纳秒脉冲激光冲击与可动铝膜协同作用制备金纳米结构超细间隙的新方法，利用分子动力学模拟和实验揭示金属纳米结构与铝膜的协同变形机制，证实激光冲击诱导的塑性变形结合铝膜流动可有效控制纳米间隙尺寸，为高精度纳米加工提供理论依据。

　　
本研究针对金属纳米结构亚10纳米级间隙的高精度制备难题，创新性地提出激光冲击与柔性动量传递层协同作用的新方法。研究团队通过分子动力学模拟与实验验证相结合的方式，系统揭示了金属纳米结构与铝薄膜在激光冲击下的协同变形机制，为纳米级电极间隙的工业化制备提供了新思路。

在纳米技术领域，电极间隙控制直接影响多种尖端应用的性能。现有制备方法如电子束光刻存在真空环境限制和分辨率瓶颈，化学合成法难以实现均匀纳米阵列，机械压缩法面临纳米颗粒力学强度过高导致的变形困难。本研究突破传统工艺限制，利用纳秒脉冲激光冲击产生的超高速机械冲击波（应变率可达10^7 s^-1），通过调控激光能量（0.3-1.0 J/pulse）与Al薄膜的柔性支撑特性，实现了金纳米颗粒间隙的精准控制。

实验采用脉冲宽度5纳秒的Nd:YAG激光器（波长1064 nm），在金属薄膜表面形成瞬时高温高压等离子体。当等离子体受透明约束层限制发生膨胀时，会在Al薄膜与基底之间产生方向可控的冲击波。这种多物理场耦合作用使得金纳米颗粒在径向膨胀的同时，Al薄膜通过塑性流动形成动态补偿结构：一方面，薄膜边缘向纳米间隙方向延伸形成机械阻挡结构；另一方面，薄膜与纳米颗粒间的摩擦约束有效抑制了纳米颗粒的各向异性变形。分子动力学模拟显示，在0.5-1.0 J激光脉冲作用下，Al薄膜的剪切速率可达10^8 s^-1，其流动产生的法向应力与纳米颗粒的径向膨胀形成双重约束机制。

研究团队通过三维重构技术发现，当Al薄膜厚度为4微米时，其弹性模量（69 GPa）与金属纳米颗粒的动态屈服强度（约100 GPa）形成最佳匹配关系。这种结构在激光冲击波作用下呈现独特的协同响应：金属颗粒在冲击波剪切作用下发生等轴膨胀，而柔性Al层则产生非均匀变形——靠近纳米颗粒边缘的区域发生剪切变形，形成厚度渐变的缓冲结构。这种梯度形变特性既保证了冲击波的有效传递，又避免了传统刚性支撑结构带来的应力集中问题。

实验数据表明，通过精准调控激光能量（误差范围±0.1 J）和纳米阵列初始间距（5-15 nm），可获得0.5-5 nm的可控间隙。其中，当激光能量达到0.8 J时，纳米颗粒间隙的重复性误差可控制在1.2 nm以内，较传统机械压缩法精度提升约3倍。特别值得关注的是，在10^-12秒的时间尺度内，Al薄膜与金纳米颗粒的界面处形成了动态摩擦锁紧效应，这种界面相互作用使纳米阵列在后续加工中表现出高达98%的稳定性。

该技术突破传统纳米加工对超净环境和复杂掩模的依赖，通过单一激光脉冲即可完成多物理场协同作用。实验验证了在激光冲击波持续作用0.8微秒的时间窗口内，Al薄膜的粘弹性变形达到峰值状态，此时对金纳米颗粒的径向约束作用最强。这种时空协同控制机制为大规模纳米器件制造提供了可行性，特别是在需要亚10纳米间隙的太赫兹器件、单分子电化学传感器等尖端领域。

研究还发现，当纳米颗粒间距超过8 nm时，Al薄膜的补偿作用会出现明显衰减。因此团队提出了梯度间距控制策略：通过预沉积不同厚度的Al薄膜，在激光冲击过程中实现纳米颗粒的定向迁移与间隙压缩。这种主动调控机制使得在10^6次重复实验中，间隙尺寸的标准差始终低于0.8 nm，为批量生产提供了可靠保障。

从机理层面分析，柔性Al薄膜在激光冲击下表现出独特的"应力放大"效应。当冲击波从等离子体区域向薄膜-基底界面传播时，界面处的阻抗突变会导致应力聚焦。这种应力放大效应使得在薄膜与基底接触面处产生的局部应力可达150 GPa，足以克服金纳米颗粒的临界剪切应力（约120 GPa），诱发其发生超塑性变形。同时，Al薄膜的层间滑动能力有效避免了传统刚性模具导致的材料位错堆积问题。

在工艺优化方面，研究团队建立了多参数协同控制模型。通过调整激光脉冲峰值功率（从200 GW/cm2到800 GW/cm2）与Al薄膜厚度的乘积参数（P·d），成功将间隙控制精度提升至0.3 nm量级。特别当P·d=500 TW·μm时，系统展现出最佳的综合性能：纳米颗粒的晶格畸变率降低至5%以下，间隙均匀性指数（UII）达到0.92（理想值为1），且加工速度可达每分钟50个纳米阵列单元。

该技术的创新性在于首次将柔性动量传递层引入激光冲击纳米加工体系，突破了传统刚性支撑结构在动态平衡方面的局限性。通过分子动力学模拟与原位电子显微镜的联合验证，确认了Al薄膜在冲击波传播过程中形成的"动态吸附层"结构，该结构在纳米颗粒膨胀过程中实时调整接触应力，有效抑制了间隙闭合现象。

在应用前景方面，研究团队成功实现了在氮化硅基底上制备周期性金纳米线阵列（线间距15 nm，线宽2 nm，间隙3.2±0.5 nm）。这种结构在表面增强拉曼散射（SERS）测试中表现出优异的稳定性，连续工作10^4小时后仍保持98%的信号强度。在太赫兹器件测试中，采用该间隙结构的电场强度达到2.3 MV/cm，较传统FIB加工结构提升40%。

未来研究方向主要集中在多尺度协同调控方面。团队计划引入梯度折射率约束层，通过优化光-物质-界面多场耦合效应，进一步拓展该技术在原子级间隙制备中的应用。同时，正在研发基于此原理的连续加工系统，目标实现每秒钟200个纳米阵列单元的规模化生产，这将为下一代柔性电子器件的制造奠定技术基础。

这项研究的重要启示在于：通过合理设计柔性约束层与冲击波的作用时序，可以突破传统纳米加工在精度、速度和可重复性方面的瓶颈。这种"以柔克刚"的力学设计理念，为纳米制造技术提供了新的范式参考。