封面展示了原子尺度下激光與材料的相互作用過程?；陲w秒激光直寫的原子制造過程主要通過表層原子修正實現(xiàn)原子結構的加工。封面強調了脈沖激光在原子及近原子尺度制造（ACSM）領域展現(xiàn)出的獨特性能優(yōu)勢。通過對光與物質相互作用過程的原子級建模與仿真，有效研究了表層原子結構在不同激光能量下的動力學響應。這些工作為推動飛秒激光在原子制造領域的應用提供了理論指導。

一、研究背景

面向制造3.0時代的原子級制造技術發(fā)展迅速，催生了基于飛秒激光的非接觸式加工方案。相比之下，二維材料通過激光燒蝕可以直接實現(xiàn)原子層級的加工，而半導體晶體材料由于其更為穩(wěn)固的晶格結構，使得在原子及近原子尺度上的激光加工過程更為復雜。

在飛秒級的極短脈沖作用以及納米甚至原子尺度的極小表層結構去除或改性中，基于雙溫方程的分子動力學（TTM-MD）建模能夠直觀地呈現(xiàn)激光加載后的動力學演化過程。激光引發(fā)的動力學過程包括材料表面的強蒸發(fā)、爆炸沸騰所產(chǎn)生的等離子體羽流，以及由內部氣化引起的熔融材料噴射等現(xiàn)象。

然而，傳統(tǒng)的TTM-MD方法僅考慮激光入射方向上的一維作用過程，忽略了溫度和應力場的橫向傳播，因此無法準確反映加工區(qū)域的形成過程。這就需要進一步開發(fā)三維TTM-MD模型，以揭示激光作用區(qū)域的復雜動力學機制，從而推動脈沖激光在原子及近原子尺度加工中的應用。

二、創(chuàng)新工作

天津大學房豐洲教授課題組基于開源分子動力學模擬器(LAMMPS)開發(fā)了一種三維TTM-MD計算方法，用于模擬聚焦激光脈沖引入的表面動力學演化過程。在超快激光作用下，物體內部在極短時間內存在電子和晶格兩個非平衡的子體系。通過引入粗粒電子溫度網(wǎng)格，實現(xiàn)雙溫模型（TTM）與分子動力學（MD）的耦合，激光能量主要由電子子系統(tǒng)吸收，隨后通過電-聲耦合在兩個子系統(tǒng)之間進行能量交換。此外，該方法利用電子溫度網(wǎng)格單元實現(xiàn)高斯型光束的三維能量沉積。

圖1 雙溫方程-分子動力學耦合模型示意圖

研究人員使用3D TTM-MD模型分析了飛秒激光輻照碳化硅（SiC）時的動力學過程。圖2展示了通過切片層截面觀測到的燒蝕羽流的產(chǎn)生和噴發(fā)過程，并揭示了此過程中的溫度場分布。激光作用區(qū)的中心溫度可達到數(shù)萬開爾文，高溫區(qū)域的材料噴射推動周圍熔融材料向外排放。在中心高溫高壓區(qū)，噴射出更多的獨立原子，而較低溫度的周圍熔融材料則排放出較大體積的團簇或小液滴。這種材料噴射行為導致熔融材料在燒蝕坑邊緣堆積，形成了火山口型燒蝕坑周圍的隆起結構。隨著激光能量密度的降低，整體溫度下降，噴射去除量和熱影響區(qū)的損傷范圍也相應縮小。

圖2 不同能量密度下的晶格溫度場分布及演化

通過恒壓MD模擬，研究人員分析了SiC發(fā)生爆炸沸騰的溫度條件及其產(chǎn)生的團簇尺寸分布，并結合3D TTM-MD模擬結果揭示了激光能量密度對輻照機制的影響。結果表明，在稍高能量（>50 mJ/cm2）條件下，激光對SiC的作用包括去除和改性兩部分，主要機制為相爆炸；在20 mJ/cm2，光斑中心位置材料的改性膨脹補償了因少量材料氣化去除引起的結構高度變化，并因邊緣改性隆起而形成一個碗形結構；當能量密度降至10 mJ/cm2時，激光-材料相互作用過程由晶向非晶的相變主導，未觀測到材料的去除，且此時改性層厚度僅為2 nm。

三、總結與展望

該研究開發(fā)了一種3D TTM-MD模型，全面考慮了高斯型光斑作用下材料的動力學響應過程，基于該模型，探討了不同能量密度激光輻照下的原子軌跡、溫度場、結構形貌及燒蝕產(chǎn)物，并對原子及近原子尺度的表面改性和去除進行了研究。結果表明了飛秒激光在原子尺度對SiC的表面處理能力，為其在ACSM領域中的材料加工提供了理論指導。

基于開源LAMMPS的3D TTM-MD計算模型適用于原子尺度激光-材料相互作用的研究。后續(xù)工作將引入光致電離效應，以評估單光子能量與材料帶隙差異造成的影響，并進一步發(fā)展適用于鍍膜材料的異質結構激光加工模型。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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