超薄金膜与镍膜作为敏化剂的玻璃飞秒激光烧蚀对比研究

《Scientific Reports》：Comparative study of femtosecond laser ablation of glass using ultrathin gold and nickel films as sensitizers

　　

摘要专业翻译 已知超薄金（Au）膜可通过降低烧蚀阈值和提高烧蚀速率来敏化介电衬底的飞秒（fs）烧蚀。在本工作中，研究人员首次观察到超薄镍（Ni）膜也可用作玻璃的敏化剂，尽管其效果不如Au。对Au和Ni敏化剂的对比研究提供了明确证据，表明介电衬底的金属敏化飞秒激光烧蚀是由金属膜中的热电子通过界面电子-声子耦合（interfacial electron-phonon coupling）介导的，而非声子-声子耦合（phonon-phonon coupling）。为了理解这两种金属截然不同的行为，研究人员提出了一个简单的热力学模型，该模型考察了金属中热电子的能量在界面声子和体声子之间的分配。研究表明，这些能量传递路径的相对强度，而非单个过程的绝对强度，在决定金属敏化剂的有效性方面起着关键作用。对于Au而言，这种相对强度大于Ni，这使得Au成为光致金属辅助介电击穿（optically induced metal-assisted dielectric breakdown, OMDB）中更优越的敏化剂。

论文解读文章

研究背景、问题与意义

介电材料的激光烧蚀在诸多科学、工业及国防领域有着广泛应用。然而，宽禁带介电材料对近红外飞秒（fs）激光的单光子吸收很弱，导致其烧蚀阈值高、材料去除率低。为解决此问题，早期研究提出在介电衬底上沉积一层薄金属膜作为敏化剂，利用金属对激光的高效吸收来增强对衬底的能量传递，这一过程被称为光致金属辅助介电击穿（OMDB）。此前，研究者已在纳秒激光领域验证了多种金属膜的敏化效果，并将增强机制归因于金属膜中高温声子通过界面声子-声子耦合向衬底传热的纯热过程。但在飞秒时间尺度下，由于电子与声子处于高度非平衡态，其物理机制尚不明确。特别是，关于贵金属金（Au）和过渡金属镍（Ni）作为敏化剂的对比研究尚未开展，这为揭示飞秒OMDB的内在机理提供了绝佳机会。本研究旨在通过系统比较Au和Ni两种代表性金属的敏化效果，阐明飞秒激光作用下金属-介电界面的能量传递主导机制，并解释为何不同金属的敏化效率存在显著差异。这项工作不仅首次证明了Ni膜也能实现飞秒OMDB，还通过实验和理论模型验证了界面电子-声子耦合的核心作用，为优化飞秒激光加工介电材料提供了重要的物理依据。

主要关键技术方法

研究人员采用中心波长为800 nm、脉宽约120 fs、重复频率300 Hz的钛宝石再生放大激光器作为光源，通过机械快门选择单脉冲进行实验。激光经50倍（0.55数值孔径）物镜聚焦至样品表面，焦斑尺寸约为1.5 μm。研究中使用了两种样品：通过溅射法在硼硅酸盐玻璃衬底上分别沉积厚度约12.5 nm的金膜和约13.5 nm的镍膜。样品通过三轴精密位移台精确定位。在每个激光通量下进行五次曝光以确保可重复性。所有烧蚀形貌均采用原子力显微镜（AFM）进行表征，并使用ImageJ和Gwyddion软件分析AFM图像数据。

研究结果

Au膜敏化实验结果

通过绘制烧蚀孔面积随峰值激光通量变化的半对数图（Liu plot），研究人员获得了Au膜、Au敏化玻璃和裸玻璃的烧蚀阈值分别为158 ± 7、431 ± 31和2596 ± 33 mJ/cm2。这表明Au敏化剂使玻璃的烧蚀阈值降低了约6倍。AFM图像显示，在低于玻璃烧蚀阈值的通量下（236 mJ/cm2），Au膜被干净地去除而衬底未受损；而在高通量下（2600 mJ/cm2），玻璃衬底出现了明显的烧蚀坑，其体积约为43 × 10?3 μm3。相比之下，在相近通量下裸玻璃的烧蚀体积仅为3 × 10?3 μm3，因此Au敏化剂使玻璃的材料去除率（MRR）提升了约14倍。

Ni膜敏化实验结果

类似的实验表明，Ni膜、Ni敏化玻璃和裸玻璃的烧蚀阈值分别为219 ± 5、1134 ± 10和2485 ± 20 mJ/cm2。这是首次证明超薄Ni膜可以敏化石英玻璃的飞秒激光烧蚀，其使玻璃的烧蚀阈值降低了约2.2倍。AFM分析显示，Ni敏化玻璃在2738 mJ/cm2通量下的烧蚀体积约为28 × 10?3 μm3，相比裸玻璃的4.8 × 10?3 μm3，MRR提升了约5.6倍。此外，由于Ni的热电子扩散长度远小于Au，其烧蚀边缘比Au更清晰。

Au与Ni敏化效果的直接对比

将两组数据合并对比发现，虽然两者都能敏化玻璃，但Au的效果远优于Ni。通过引入无量纲有效性参数ξ_m = F_th^s-m/F_th^m（即达到金属烧蚀阈值后，还需多少倍的该通量才能引发玻璃烧蚀），计算得ξ_Au = 2.73，ξ_Ni = 5.18。定义有效性比值r = ξ_Ni/ξ_Au = 1.9，定量说明了Au的敏化效率约为Ni的1.9倍。

讨论总结与结论翻译

在讨论部分，研究人员排除了界面声子-声子耦合的主导作用，因为若该机制成立，则具有更强体电子-声子耦合的Ni（导致更高声子温度）应表现出更好的敏化效果，这与实验观察相反。因此，研究明确指出界面电子-声子耦合是飞秒OMDB的主导机制。

为了定量解释Au与Ni的差异，研究人员建立了一个简化的热力学模型。该模型的核心思想是，输入激光能量在金属中被吸收后，会在三个过程中竞争分配：加热金属体声子（对应体电子-声子耦合）、加热衬底声子（对应界面电子-声子耦合）以及横向热扩散。通过忽略横向扩散，并基于能量守恒推导出有效性参数r的表达式，最终归结为比较两种金属中界面与体电子-声子耦合的相对强度（Λ^m = b^m/a^m）。模型预测r值在1到4之间，与实验值1.9吻合良好。该模型揭示了Au之所以是更优的敏化剂，并非因其界面或体耦合的绝对强度更大，而是因为其界面耦合相对于体耦合的强度更大，使得更多的电子能量能够高效地传递给衬底。

结论部分翻译如下：

研究人员研究了涂覆有超薄Au和Ni膜的玻璃的飞秒激光烧蚀，并表明这两种金属都起到了敏化剂的作用。由于Au和Ni分别是贵金属和过渡金属的代表，这些发现有力地表明飞秒OMDB是一种普遍现象，尽管未来需要对更多种类的金属进行全面研究以验证这一论断。对比Au和Ni敏化剂提供了明确的证据，证明衬底烧蚀是由金属中的热电子通过界面电子-声子耦合介导的，从而证实了早期的猜想。研究人员从三个方面展示了Au是比Ni更有效的飞秒OMDB敏化剂。首先，Au和Ni使烧蚀阈值分别降低了6倍和2.2倍。其次，在裸玻璃烧蚀阈值附近，Au和Ni分别使材料去除率提高了14.3倍和5.6倍。第三，一旦达到金属敏化剂的OMB阈值，引发玻璃ODB所需的额外通量对于Au比对于Ni低1.9倍（r_ξ = 1.9）。为了解释后者，研究人员提出了一个热力学模型，该模型考察了每种金属在其OMB和OMDB阈值处界面与体电子-声子耦合之间的竞争。研究表明，这些相互竞争的耦合路径的相对强度，而非单个过程的绝对强度，在决定金属敏化剂的有效性方面起着关键作用。对于Au而言，这种相对强度大于Ni，这使得Au成为飞秒OMDB中更优越的敏化剂。