什么是纳秒脉冲激光退火技术（Nanosecond Pulsed Laser Annealing）？
发布时间：2023-03-28 08:00:00 阅读数： 234
纳秒脉冲激光退火是一种可控的、有选择性的热处理过程，以达到理想的材料性能。在这里，我们来看看纳秒脉冲激光退火，它与其他退火技术相比的优势，以及最近的研究结果。
纳秒脉冲激光退火： 概述
退火是一种热处理工艺，通过降低硬度来提高材料的延展性和可加工性。传统上，退火涉及将整个材料加热到一个特定的温度，然后冷却。然而，高强度的激光被用于更精确和有选择性的材料加热。
纳秒脉冲激光退火是一种激光退火，它使用纳秒范围内的高能量、短持续时间的激光脉冲来快速加热材料。快速而强烈的加热诱发了局部熔化和再结晶，改变了材料的物理和化学特性。
纳秒脉冲激光退火如何改变材料特性
一个激光脉冲集中在样品的表面，在撞击点上产生高能量密度。材料吸收这种能量，导致表面层的快速加热。
在冷却之前，材料被保持在其再结晶温度以上的特定时间。在这个加热过程中，晶格中的原子发生迁移，减少位错的数量，从而影响硬度和延展性。最后，材料通过快速水淬或缓慢的空气冷却进行再结晶。
加热和冷却速度影响到晶相组成和晶粒大小，最终决定了材料的特性。
是什么让纳秒脉冲激光退火有别于其他激光退火方法？
纳秒脉冲激光退火的主要好处是其高度的可调节性，这使其能够精确控制材料的特性和结构。此外，通过调整脉冲的持续时间和强度，可以实现各种材料特性。
由于其局部和短暂的加热，纳秒脉冲激光退火是易升华材料的理想选择，如碳。
纳秒脉冲由于其尺寸小，可以防止热扩散和过度的热传导到周围的材料。这使得提供给材料的能量和退火层的厚度得到精确控制。
纳秒脉冲激光退火具有提供快速、表面局部高温处理的优势。这一特点有利于减少薄膜中的金属线阻力，同时保持周围材料的强度和功能。
研究与开发
纳秒脉冲激光退火诱导的缺陷改善锂离子电池性能
北卡罗来纳州立大学与美国能源部橡树岭国家实验室合作进行的一项最新研究表明，来自高强度激光的短脉冲会在锂离子电池的材料中造成微小的缺陷，从而改善电池性能。
这一改进是通过使用纳秒脉冲激光退火对石墨（阳极）的微观结构和缺陷填充的控制工程来完成的。脉冲激光器创造了表面凹槽和台阶，改善了Li+离子的插层和充电率。
该过程还除去了不活跃的粘合剂材料并产生了碳空位，作为额外的Li+充电点。因此，在充电和放电循环期间，改进的锂离子吸收使电池的载流能力和循环能力提高了20%。
然而，缺陷的过度集中可能会导致锂镀层和电流容量的减少。
"材料缺陷可能是一个麻烦，但如果你正确地设计它们，你可以使它们成为一种优势。这种技术可以说是为锂离子打开了大门，所以它增强了电流容量。" - Jagdish Narayan，该研究的通讯作者
紫外纳秒脉冲激光退火提升了铜质互连的性能
在IEEE上发表的一项研究中，研究人员使用紫外线（UV）纳秒脉冲激光退火来研究其对铜（Cu）薄膜的影响，以控制晶粒生长并降低金属线电阻。
在亚熔化条件下，与具有规范晶粒取向分布的原沉积薄膜相比，晶粒尺寸增加了约8倍。然而，在熔化状态下，晶粒的生长继续进行，没有对晶粒取向进行一致的控制，导致薄膜的电阻率不断降低。
这项研究证明了紫外纳秒脉冲激光退火在扩大金属晶粒和降低金属线电阻方面的潜力，而不影响先进金属互连的性能和周围材料的完整性。
将碳纳米管转化为钻石纤维
发表在《Nanoscale》上的一项研究报告了一种纳秒脉冲激光退火方法，在空气中的环境压力和温度下将碳纳米管和纳米纤维转化为钻石纤维。
高强度的纳秒脉冲激光在超低温状态下熔化碳纳米管和纳米纤维，随后快速淬火，将其转化为不含杂质的金刚石棒。这种具有成本效益的方法比以前需要极度高温和高压的方法产量更高。
这为加工和合成钻石纳米结构提供了新的机会，可用于各种应用，如量子计算、深海钻探或燃料提取的工具涂层以及钻石珠宝。
未来展望
随着技术的进步和对更精确、更高效的激光加工技术需求的增加，纳秒脉冲激光退火有望在材料改性和合成应用中发挥重要作用。
参考资料
Khosla, N., Narayan, J., Narayan, R., Sun, X. G., & Paranthaman, M. P. (2023). Microstructure and defect engineering of graphite anodes by pulsed laser annealing for enhanced performance of lithium-ion batteries. Carbon. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.01.009
Tabata, T., Raynal, P. E., Rozé, F., Halty, S., Thuries, L., Cristiano, F., ... & Mazzamuto, F. (2021, July). Copper Large-scale Grain Growth by UV Nanosecond Pulsed Laser Annealing. In 2021 IEEE International Interconnect Technology Conference (IITC) (pp. 1-3). IEEE. https://doi.org/10.1109/IITC51362.2021.9537312
Narayan, J., Bhaumik, A., Sachan, R., Haque, A., Gupta, S., & Pant, P. (2019). Direct conversion of carbon nanofibers and nanotubes into diamond nanofibers and the subsequent growth of large-sized diamonds. Nanoscale, 11(5), 2238-2248. https://doi.org/10.1039/C8NR08823C
Skorupa, W., & Schmidt, H. (Eds.). (2013). Subsecond annealing of advanced materials: annealing by lasers, flash lamps and swift heavy ions (Vol. 192). Springer Science & Business Media.
Lawrence, J. R. (Ed.). (2017). Advances in laser materials processing: technology, research and applications. Woodhead Publishing.
Written by
