《基於超快雷射誘導量子應力的材料相變基礎研究》是依託吉林大學，由陳岐岱擔任項目負責人的重大研究計畫。
基本介紹
- 中文名：基於超快雷射誘導量子應力的材料相變基礎研究
- 項目類別：重大研究計畫
- 項目負責人：陳岐岱
- 依託單位：吉林大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
超快雷射技術作為精細加工核心手段日漸受到關注，該技術對材料微結構化已在光子調控、生化微流控等領域展現出廣闊套用前景。然而，目前人們對其在物質原子尺度調控規律認識仍相當匱乏，從而難以對材料的基本物性進行更高層次的精準“加工”，制約了該技術對材料“全尺度”的可控性改造。前期我們以鍺銻碲材料為例，理論預言了一種超快雷射誘導的“量子應力”效應，能通過對其電子動態結構調控進而改變物性；在此基礎上本項目擬通過飛秒拉曼光譜技術結合第一性原理模擬，以透明光學介質材料為例，建立超快雷射誘導量子應力與該材料各相狀態方程關聯物理規律。具體研究內容包括，飛秒雷射誘導物質量子應力的實驗驗證；量子應力誘導介質材料相變化及其狀態方程規律的第一性原理研究；量子應力誘導材料相變的飛秒時間分辨拉曼光譜研究。通過以上工作澄清超快雷射產生量子應力的微觀物理過程和原子機制，為超快雷射技術電子動態調控加工技術奠定理論和技術基礎。
結題摘要
超快雷射在微觀尺度與材料的相互作用機制是雷射微納加工的基本支撐，但是目前對物質原子尺度調控規律認識仍相當匱乏，從而難以對材料的基本物性進行更高層次的精準“加工”。為此，本項目從理論與實驗相結合的角度嘗試闡明超快雷射誘導的量子應力、原子受力的物理內涵及其在材料加工中的具體表現方式，結合材料特性提出可能的套用，首先，探索了應力、原子力產生的物理原理及基本規律；基於密度泛函理論的第一性原理計算計算了9種不同的半導體材料中不同激發量的電子-空穴電漿作用下的應力，證明應力和激發量以及材料的平均形變勢成正比。同時，研究了電子激發誘導原子受力的基本原理及規律，指出原子受力具有元素選擇性和晶格對稱性依賴。進一步，研究了電子激發誘導量子應力和原子受力對雷射加工的潛在影響及套用：電子-空穴電漿激發誘導的應力可以導致巨大的晶格膨脹，即使在超硬材料金剛石中也能誘導超過10%的膨脹率；激發誘導的原子受力可以導致材料的固態非晶化；低激發在有機無機雜化鈣鈦礦中可以在保持晶體結構的前提下調控晶格結構，使材料對稱性提高；強激發可以導致材料發生庫侖爆炸，用於製備非晶碳。最後，利用量子應力及原子受力基本規律和效應，探索新的雷射加工方式並進行了各種微納器件的加工：在亞皮秒尺度，提出通過預降溫抑制熱效應來進行冷加工的方案；利用晶格對稱性對應力和力的影響，提出材料結構導向的新型加工方式；開發了刻蝕輔助飛秒雷射加工新方法解決硬脆材料微納加工精度、效率問題；實現了光量子光源及光操控元件的製備，完成了寬頻隙、硬質材料藍寶石和硫化鋅的光學元件加工；上述成果有望為超快雷射對材料基本物性進行動態調控的自由可控“裁剪加工”打下理論和實驗基礎，進一步提高雷射微納的加工精度和效率。項目共發表包括Nature Comms、Light Sci&App等高水平SCI論文36篇。
