光学石英玻璃纳米划痕性能仿真研究（英文）

基于分子动力学方法,对石英玻璃进行了三维的纳米划痕仿真,用来研究其纳米加工性能。采用熔融-淬火的办法建立了石英玻璃的模型,并通过观察模型的截面图,分析了在制备过程中内部微观孔隙的形成过程和原因。在仿真过程中,观察了石英玻璃的变化和孔隙周围原子的运动,得到了切削力的曲线,重点研究了内部的微观空隙对划痕过程的影响。仿真结果表明:当石英玻璃冷却时,由于内部共价键的重组,会形成平均半径为0.25nm的微观的孔隙,而且其降低了石英玻璃的纳米加工性能,使得切削力的曲线发生一定程度的波动。当磨粒划过表面后,会在表面以下形成厚度为2nm的原子密集堆积区。由于稠密区的原子共价键键长的变化,失去了原有共价键的强度,所以会形成加工的损伤层。因此在对石英玻璃超精密加工时,应采用少量多次的加工方法来提高材料的加工性能。     

皮秒激光加工CVD单晶金刚石的特征和机理研究

为了探究皮秒激光加工金刚石的特征和材料去除机理,开展了皮秒激光加工CVD单晶金刚石微槽的试验和温度场仿真研究。利用场发射扫描电子显微镜检测了金刚石微槽表面和内部的微观形貌,实验结果表明,金刚石微槽边缘出现了微小崩边和微裂纹,微槽内部形成了周期约为255 nm和495 nm的纳米条纹。通过测量金刚石微槽宽度、深度、体积,得到了皮秒激光烧蚀金刚石的阈值、烧蚀速率和材料去除率。对金刚石微槽底部进行拉曼分析,发现皮秒激光加工金刚石是通过表面石墨化进行的,并且随着激光能量密度的增加,石墨峰出现了明显的红移。理论计算得到皮秒激光烧蚀金刚石的石墨层厚度约为88.7 nm。皮秒激光烧蚀金刚石温度场仿真结果表明,皮秒激光辐照能量主要分布在金刚石的表面,而通过热传导进入到金刚石内部的激光能量极少,因此皮秒激光加工金刚石的热影响区极小,导致其产生的石墨层厚度小于100 nm。     

基于桥域理论的Cu单晶纳米切削跨尺度仿真研究

桥域方法是一种典型的跨尺度仿真研究方法.基于桥域理论,本文分析了原子和连续介质耦合区域的处理问题,即在耦合区采用不同的权重计算系统的能量,通过Lagrange乘子法对原子和连续介质位移进行约束.采用桥域方法,建立了单晶Cu米纳切削的跨尺度仿真模型,获得了单晶Cu纳米切削的材料变形机理.同时,研究了不同切削速度对纳米切削过程和原子受力分布的影响,仿真结果表明:随着切削速度的提高,切削区原子所受的力值增大,切屑变形系数减小,已加工表面变质层厚度增加.本文基于桥域理论,实现了Cu单晶纳米切削跨尺度的建模和仿真, 关键词： 桥域法 纳米切削 单晶Cu 切削速度     

纳米多晶铜的超塑性变形机理的分子动力学探讨

在聚能装药爆炸压缩形成射流的过程中, 伴随着金属药型罩的晶粒细化, 从原始晶粒30-80 μm细化到亚微米甚至纳米量级, 从微观层面研究其细化机理和动态超塑性变形机理具有很重要的科学意义. 采用分子动力学方法模拟了不同晶粒尺寸下纳米多晶铜的单轴拉伸变形行为, 得到了不同晶粒尺寸下的应力-应变曲线, 同时计算了各应力-应变曲线所对应的平均流变应力. 研究发现平均流变应力最大值出现在晶粒尺寸为14.85 nm时. 通过原子构型显示, 给出了典型的位错运动过程和晶界运动过程, 并分析了在不同晶粒尺寸下纳米多晶铜的塑性变形机理. 研究表明: 当晶粒尺寸大于14.85 nm时, 纳米多晶铜的变形机理以位错运动为主; 当晶粒尺寸小于14.85 nm时, 变形机理以晶界运动为主, 变形机理的改变是纳米多晶铜出现软化现象即反常Hall-Petch关系的根本原因. 通过计算结果分析, 建立了晶粒合并和晶界转动相结合的理想变形机理模型, 为研究射流大变形现象提供微观变形机理参考.     

纳米α-Al2O3磨料抛光单晶硅片光滑表面的形成机理

"将纳米α-Al2O3粉体配制成抛光液并冷冻成冰结抛光垫对单晶硅片进行了抛光,用原子力显微镜观察了抛光表面的微观形貌并测量了其表面粗糙度,采用透射电镜观察了单晶硅片抛光后的断面形貌．为进一步分析抛光过程中的化学作用机理,采用X射线光电子能谱分析了单晶硅片抛光后表面的化学成分．利用纳米压痕仪的划痕附件对单晶硅片进行了划痕测试,研究了抛光过程中的机械作用机理．结果表明纳米α-Al2O3磨料冰冻抛光单晶硅片时,在1 mm￡1 mm的范围内得到了微观表面粗糙度为0.367 nm的超光滑表面,亚表面没有任何损伤,材     

化学气相沉积SiC材料超光滑表面纳米加工

 利用传统光学加工方法，采用陶瓷磨盘和金刚石微粉对国产化学气相沉积(CVD) SiC进行了粗磨、细磨加工；然后，利用颗粒直径从4 μm到1 μm的金刚石研磨膏逐级进行抛光，发现SiC表面存在纳米级划痕；最后，改用颗粒直径为20 nm氧化铝纳米颗粒的碱性水溶液进行抛光，表面粗糙度达到0.6 nm(RMS)，表面纳米级划痕得到很好改善，获得了较高表面质量的超光滑表面。     

纳米氧化铈的制备及其抛光性能的研究

采用溶胶-凝胶法制备了纳米CeO2粉体,并采用XRD、TOF-SIMS对其进行了表征。结果表明平均晶粒度在13.3nm,粒度分布均匀。进而研究了纳米CeO2在玻璃基片抛光中的抛光性能。ZYGO形貌仪表明,抛光后其表面平均粗糙度值(Ra)可降低到0.6nm左右。原子力显微镜(AFM)在5μm×5μm范围内测得基片表面粗糙度Ra值为0.281nm,表面光滑,划痕等表面微观缺陷明显改善。     

基于表面增强拉曼光谱技术的金表面耐腐蚀性分析

金属表面耐腐蚀性能与其微观结构密切相关。以金为分析对象,采用不同粒径氧化铝抛光粉抛光处理金片表面,经扫描电镜和原子力显微镜观察,表明金片表面具备与实际工件类似的微观结构,在此基础上,研究金片表面微观划痕结构对表面增强拉曼散射(SERS)以及耐腐蚀性能的影响。以罗丹明B为探针分子,对不同特征尺寸的微观划痕进行SERS分析,获得了罗丹明B的SERS信号强度随划痕平均特征尺寸的变化规律。通过改变拉曼激发光偏振方向与划痕方向的夹角大小,发现SERS信号主要归因于激发光与划痕相互作用产生的横向表面等离激元。划痕平均特征尺寸在50 nm附近时,横向表面等离激元最强,之后随着划痕平均特征尺寸增加,横向表面等离激元逐渐变弱。另一方面,对具有不同特征尺寸微观划痕的金片进行电化学极化测试,获得了各样品的自腐蚀电位,发现金片的自腐蚀电位随着划痕平均特征尺寸增大而降低。结果表明,当划痕平均特征尺寸大于50 nm,金表面的SERS信号与自腐蚀电位间存在良好的线性对应关系,这为SERS技术用于工件耐蚀性分析提供了依据。通过在工件表面滴涂探针分子并使用便携式拉曼光谱仪测量有望可以对工件耐蚀性进行现场快速预判。     

球形压头与单晶铝材料纳米接触过程的多尺度分析

采用准连续介质多尺度理论及排斥力场函数, 建立了刚性球形压头与单晶铝材料表面纳米接触与脱离过程的跨尺度分析模型, 得到载荷-位移响应曲线、原子变化状态图及位移云纹图. 研究了接触与脱离过程中单晶铝材料微观变形时原子的排列情况以及压 头形状对位错的形核和发射产生的影响. 从微观角度分析了接触变形机理. 结果表明, 随着接触深度的增加, 球形压头下部两侧的原子受力方向不断变化, 使得载荷-位移响应曲线出现不同于方形压头的阶梯状. 由于压头形状的影响, 压头两侧的密排原子面实现部分滑移形成了肖克利不完全位错. 脱离过程中, 原子紧贴压头向上移动, 实现部分弹性恢复, 残余位移为0.3 nm, 非常接近单晶铝单位位错的伯格斯矢量的 模0.285 nm. 关键词： 准连续介质法 球形压头 单晶铝材料 位错     

偏斜椭圆激光驻波场作用下中性原子沉积纳米光栅结构特性分析

分析了椭圆激光驻波场的偏斜对中性原子运动过程和沉积过程的影响,对不同偏斜角度椭圆激光驻波场作用下中性铬原子沉积纳米光栅结构的特性进行了仿真研究,由仿真结果可以看出,随着偏斜椭圆形激光束偏斜角的增加,对应于不同y平面,激光驻波场汇聚中性原子所形成纳米光栅条纹的对比度不断减小、半高宽不断增大.当椭圆长短轴之比为2:1条件下,椭圆激光驻波场的偏斜角为0°时,纳米光栅的条纹半高宽为3.2 nm,条纹对比度为36:1,而当偏斜角为15°时,激光驻波场中心位置处的沉积条纹的半高宽为6.5 nm,条纹对比度为24:1,而当椭圆激光驻波场偏斜角度达到30°时,沉积条纹的单峰结构将会产生分裂,形成了双峰结构,且随着偏斜角的增加,沉积条纹的分裂越严重,纳米光栅的沉积质量越差.对于其他长短轴比例条件下的激光场亦可根据比例关系获得相应的纳米光栅沉积特性. 关键词： 原子光刻 偏斜椭圆激光驻波场 纳米光栅     

Optical seizing and merging of voids in silica glass with infrared femtosecond laser pulses

We demonstrate that one can seize and translate voids formed by IR femtosecond laser pulses inside silica glass and can also cause two voids to merge into one. We also present clear evidence of a void and its surrounding region by showing scanning electron microscope images of cleaved voids, which we produced by cleaving through the glass along a plane that included a thin laser-ablated line on the surface of the glass and the voids formed inside.     

Void recording in silica

We report on the formation of voids of 200–300 nm in diameter by single femtosecond pulses (800 nm/150 fs/ <100 nJ) inside silica glass. The mechanism of void formation can be understood in terms of dielectric breakdown and shock wave formation. The voids were recorded below the threshold of self-focusing. Diffraction efficiency of gratings recorded by arranging voids into a pattern of open core channels have shown an interesting tendency of an increasing efficiency for the first five diffraction orders. It is demonstrated by numerical simulation using the finite difference time domain (FDTD) algorithm that such anomalous diffraction is indeed caused by empty core channels surrounded by densified shells inside silica. PACS 81.40.-z; 62.50.+p; 81.07.-b; 47.40.Nm     

Display glass cutting by femtosecond laser induced single shot periodic void array

We propose an idea of fast cutting a display glass plate where the sample is pre-processed micromachining single shot rear-surface and internal void arrays aligned on working plane prior to glass cleaving. Single shot void morphology is investigated varying input pulse energy, focusing depth, and scanning speed. A femtosecond laser with pulse duration of 172 fs, central wavelength of 780 nm, and repetition rate of 1 kHz is used to fabricate voids.     

Fused silica as a composite nanostructured material

A method for calculating the refractive index of optical fused silica by applying the model of effective permittivity of composite homogeneous media is proposed and realized. The calculation was performed using the tabular data of the refractive index of crystalline α quartz and the ratio of the quartz glass and α quartz densities. It was suggested that fused silica contains nanosized pores with a glass filling number q immersed in a matrix with a density differing from the α quartz density by a factor of κ, where κ is slightly less than unity. It was established that the Maxwell-Garnett model makes it possible to calculate the refractive index of quartz glass and its dispersion in the transparency range (404 nm ≤ λ ≤ 671 nm) with a deviation less than 0.0002 from the tabular values. The calculated and experimental values coincide at q = 0.155 and κ = 0.986.     

氧化硅团簇切削单晶硅粗糙峰的分子动力学模拟研究

应用分子动力学模拟方法研究了氧化硅团簇在不同的切削 深度下切削单晶硅粗糙峰的过程, 考察了切削过程中粗糙峰和氧化硅团簇形态变化、团簇的受力状况、粗糙峰原子配位数和温度分布等. 模拟结果表明: 切削深度小于0.5 nm时, 被去除的材料以原子或者原子簇形式存在, 并黏附在颗粒表面被带走; 当切削深度增大至1 nm时, 材料的去除率增大, 并形成大的切屑. 在切削过程中, 由于压力和温度的升高, 粗糙峰切削区域的单晶硅转变为类似Si-Ⅱ相和Bct5-Si相的过渡结构, 在切削过程后的卸载阶段, 过渡结构由于压力和温度的下降转变为非晶态结构.     

Cu2+离子注入的石英光波导的特性研究

利用Cu2+离子注入的方式在熔融石英和石英晶体上分别制备了平面光波导结构.通过棱镜耦合实验测试了两种光波导的导模特性,结果表明:在同样的注入条件下熔融石英上形成了增加型的光波导结构,而石英晶体上形成了位垒型的光波导结构.研究了退火温度对两种光波导导模折射率的影响,熔融石英光波导中导模的折射率随着退火温度的升高而降低,而石英晶体光波导中导模的折射率随着退火温度的升高先增加后降低.为了进一步分析离子注入两种材料形成光波导的微观机理,利用SRIM模拟了Cu2+离子注入两种材料的电子能量损失和核能量损失,并且模拟了两种光波导结构的折射率分布.模拟结果表明:熔融石英光波导的主要形成原因是离子注入表面的折射率大于其体材料的折射率,而石英晶体光波导的主要形成原因是离子射程末端的折射率小于其体材料的折射率.因此,在熔融石英光波导的形成中电子能量损失起主要作用,而在石英晶体光波导的形成中核能量损失起主要作用.     

Diagnose Parameters of Plasma Induced by Femtosecond Laser Pulse in Quartz and Glasses

Electron plasma induced by a focused femtosecond pulse (130 fs, 800 nm) in quartz, fused silica, K9 glass, and Soda Lime glass was investigated by pump-probe technology. Pump and probe shadow imaging and interferometric fringe imaging have been used to determine plasma density, relaxation time, and electron collision time in the conduction band. In these materials, the electron collision time is about several femtoseconds when the electron density is in the 10¹⁹cm⁻³ range. The electron relaxation processes are different: lifetime is about 170 fs in pure quartz and fused silica, and about 100 ps in K9 and Soda Lime glass. The modified electron band by doped ions is regarded to be responsible for the difference of decay time in these materials.     

High-quality and high-efficiency machining of glass materials by laser-induced plasma-assisted ablation using conventional nanosecond UV, visible, and infrared lasers

This paper reports the micromachining of fused quartz and Pyrex glass by laser-induced plasma-assisted ablation (LIPAA) using a conventional nanosecond laser at wavelengths 266 nm, 532 nm, and 1064 nm, respectively. High-quality surface structuring can be achieved at each of these wavelengths. The micrograting formed has periods of 14 7m at 266 nm, 20 7m at 532 nm, and 30 7m at 1064 nm, respectively. The ablation rate using a 266 nm laser is much larger than that at longer wavelengths. The ablation thresholds of laser fluence are 0.7 J/cm² for 266 nm, 1.5 J/cm² for 532 nm and 3.7 J/cm² for 1064 nm, respectively. The 532 nm and 1064 nm lasers enable hole drilling in 0.5 and 2.0-mm thick fused quartz and Pyrex glass substrates of about 0.7-0.8 mm in diameter. However, the less destructive through channel can be only formed in Pyrex glass by using a 532 nm laser.     

熔石英再沉积层结构的纳米级表征和杂质分析

利用原子力显微镜观察熔石英不同蚀刻时间的表面形貌,结合二次离子质谱分析,研究了熔石英的再沉积层结构和杂质分布。结果表明,熔石英表面深度10nm的再沉积层内存在大量微裂纹和杂质,经蚀刻展开形成nm级划痕和坑点,其分布随着深度增加呈指数衰减。根据nm级划痕密度、宽深比随蚀刻深度变化的规律,估算出再沉积层厚度,估算结果与二次离子质谱测得的杂质嵌入深度基本一致。杂质元素嵌入深度与抛光微裂纹分布特征的关联性表明,杂质很有可能藏匿在抛光微裂纹中。     

Femtosecond laser-induced microstructure in Foturan glass

We report on the microstructure formation in Foturan glass, induced by 1~kHz, 120 femtosecond laser irradiation. It is found that the line-shaped filamentation, not void array tends to be formed in this glass. This is different from our previous experimental results in fused silica and BK7 glasses. A possible mechanism Ag$^+$ captures the free electrons generated by laser, is proposed to explain the observed phenomena.