飞秒激光单脉冲辐照诱导多晶金刚石薄膜结构演变的阈值效应与表面抛光机制

针对超硬超薄金刚石薄膜难以加工的问题，西安交通大学研究人员通过单脉冲飞秒激光辐照微晶金刚石（MCD）薄膜，系统揭示了0.52 J/cm2（非烧蚀石墨化）、1.03 J/cm2（烧蚀）和4.19 J/cm2（电离）三重阈值效应，发现电离产生的高压膨胀等离子体可使表面粗糙度（Ra）降至5.6 nm，峰值高度（Rp）降低61%，同时实现硅基底拉曼信号的指数级屏蔽，为光学器件改性和微电子封装提供了新策略。

　　

金刚石被誉为“终极半导体”，拥有最高的硬度、热导率和最宽的光学透射范围，但其超硬特性使得传统加工技术面临巨大挑战。化学气相沉积（CVD）技术虽能制备超薄金刚石涂层，但如何实现高精度表面改性成为制约其应用于微机电系统（MEMS）、生物传感器等领域的瓶颈。现有飞秒激光加工虽能减少热损伤，但对金刚石薄膜的结构演变机制缺乏系统性研究，尤其是单脉冲作用下的“明-暗-亮”形貌成因尚未破解。

西安交通大学的研究团队在《Applied Surface Science》发表论文，通过Ti:sapphire飞秒激光（800 nm波长，50 fs脉宽）辐照微晶金刚石（MCD）薄膜，结合光学显微镜、拉曼光谱和原子力显微镜（AFM）等多尺度表征技术，首次明确了三种改性类型的能量阈值：0.52 J/cm²触发非烧蚀石墨化（sp²无序网络形成），1.03 J/cm²引发烧蚀，4.19 J/cm²导致电离。实验采用高精度三维平移台控制样品位置，通过能量密度梯度分析揭示了“拱形-火山口-W状”的辐照区域特征。

实验结果

1. 能量阈值与形貌特征：激光能量0.4 mW时出现“明区”（Type I），表现为体积膨胀和sp²键生成；能量增至1.2 mW时形成“暗区”（Type II），伴随碳等离子体喷发；更高能量下产生“亮区”（Type III），电离等离子体对表面产生抛光效应。
2. 表面抛光机制：高压等离子体膨胀使表面粗糙度（Ra）从原始15.2 nm降至5.6 nm，最大轮廓峰高（Rp）降低61%，形成纳米级光滑表面。
3. 拉曼信号屏蔽：电离区金刚石的拉曼散射截面增大，导致硅基底信号呈指数衰减，为传感器抗干扰设计提供新思路。

结论与意义
该研究首次建立了单脉冲飞秒激光能量与金刚石薄膜结构演变的定量关系，阐明了等离子体抛光这一意外发现，为金刚石在微电子封装（如热管理界面优化）、光学器件抗反射涂层（通过可控石墨化调节折射率）和生物传感器（拉曼信号选择性屏蔽）等领域的应用提供了新方法。研究还揭示了“明-暗-亮”现象的物理本质——从晶格无序化到等离子体动力学的级联反应，为超硬材料的超精密加工奠定了理论基础。