磁透镜聚焦激光诱导等离子体羽流的微尺度脉冲激光沉积数值模拟研究

针对脉冲激光沉积(PLD)技术中等离子体羽流自发扩散导致沉积分辨率低的问题，研究人员提出磁透镜辅助透射式PLD(TPLD)新策略。通过建立包含10,000个Cu2+粒子的多物理场有限元模型，揭示了磁透镜通过拉莫尔进动(Larmor precession)实现等离子体聚焦的机制，获得微米级焦斑，为纳米材料微图案化提供了新方法。

　　

在纳米材料制备领域，脉冲激光沉积(PLD)技术因其操作简便、材料普适性强等优势备受青睐。然而这项技术长期面临一个"甜蜜的烦恼"——高能激光轰击靶材产生的等离子体羽流会像烟花般四散飞溅，导致沉积区域过大，难以实现微米级精度的图案化加工。传统解决方案如双脉冲激光法虽能改善表面光洁度，却无法改变等离子体的扩散方向；透射式PLD(TPLD)通过缩短靶材-基底距离将沉积精度提升至毫米级，但进一步缩小至微米尺度仍困难重重。

中国国家自然科学基金支持的研究团队独辟蹊径，将电子显微镜中的磁透镜技术引入PLD过程。这项发表于《Optics》的研究创新性地采用COMSOL多物理场耦合建模，集成AC/DC模块模拟磁场、粒子追踪模块模拟10,000个Cu²⁺粒子束，通过参数化分析揭示了磁透镜对等离子体羽流的聚焦机制。

关键技术方法
研究采用有限元法(FEM)构建磁透镜辅助TPLD模型：1) 通过AC/DC模块模拟通电线圈产生的轴对称磁场；2) 基于激光-物质相互作用设定等离子体初始速度(v_ini)和发散角(θ_ini)；3) 追踪带电粒子在磁场中的拉莫尔进动轨迹；4) 评估磁场强度、初始参数对焦斑尺寸等指标的影响。

研究结果

1. 磁透镜辅助TPLD可视化模型
   建立包含20μm飞秒激光光斑、1mm靶材-基底间距的TPLD系统模型，磁透镜采用0.5T轴向磁场。模拟显示等离子体粒子在垂直磁场分量作用下发生螺旋运动。

2. 等离子体聚焦机制
   理论推导证实带电粒子在非均匀磁场中满足拉莫尔进动条件，其回旋半径r=mv_⊥/qB与磁场强度成反比，通过调控磁场梯度可实现粒子束汇聚。

3. 参数影响规律
   当初始发散角θ_ini=30°时，0.5T磁场可使10keV的Cu²⁺束聚焦为直径50μm的焦斑；磁场强度每增加0.1T，焦斑尺寸缩小约15%。

结论与意义
该研究首次从理论上证实磁透镜可通过拉莫尔进动效应将PLD产生的等离子体羽流聚焦至微米尺度，建立的数值模型能准确预测不同参数下的聚焦效果。相比传统PLD技术，磁透镜辅助TPLD使沉积分辨率提升两个数量级，为纳米线阵列、微电极等微纳器件的图案化沉积提供了新范式。作者特别指出，该方法通过纯物理调控实现聚焦，避免了化学修饰带来的污染问题，在生物相容性纳米器件制备领域具有独特优势。未来研究可进一步优化磁透镜构型，探索复杂三维图案的磁控沉积路径。