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    我所實現極低缺陷亞埃級粗糙度石英超光滑表面的研制

      近日,我所化學激光研究中心李剛研究員、金玉奇研究員團隊(700組群)與生物能源化學品研究組(DNL0603組)合作,以自主合成的新型超細納米氧化鈰(CeO2)為拋光漿料,利用化學機械拋光(CMP)技術,加工出極低缺陷亞埃級(<0.1nm)表面粗糙度的超光滑石英光學表面,并深入研究了加工過程中CeO2納米顆粒與石英表面的物理及化學變化過程,進一步提升了對CMP拋光機理的理論認知。

      石英玻璃因其優異的物理化學性能,是高能激光、激光陀螺、空間激光通信、短波光學等領域的優異基底材料,其加工后的表面質量(表面粗糙度及表面缺陷數量等)是制約此類高精密光學系統性能的“卡脖子”技術難題。極低缺陷亞埃級石英超光滑表面的高效加工具有挑戰。當前,受限于對CMP拋光機理的認識不夠深入、高端CeO2拋光漿料被美日等國寡頭企業所壟斷并對我國嚴格禁運,致使我國的CMP拋光工藝與國外尚存在較大差距。

      本工作中,研究人員制備出一類尺寸小、粒度分布窄的超細納米CeO2拋光漿料,其平均一次粒徑小于4nm。通過CMP技術參數的調控和優化,研究人員實現了表面粗糙度(RMS)小于0.1nm的極低缺陷石英光學表面的加工。對比研究發現:石英元件表面粗糙度主要受CeO2一次粒徑尺寸和粒度分布影響,一次粒徑尺寸越小,粒度分布越窄,越有利于超光滑表面的形成;從“CeO2團聚強度”這一全新的角度,闡釋了CeO2團聚強度是影響石英元件表面亞微米尺寸缺陷形成的關鍵因素。此外,通過對石英元件拋光去除速率以及表面接觸角的分析,研究人員提出了CeO2漿料中Ce3+促進石英表面羥基形成進而提升拋光去除速率的化學去除模型。

      本工作對推動我國高端CeO2拋光漿料制備技術發展和提升我國超精密光學元件制造水平具有重要意義。

      相關研究成果以“Fused silica with sub-angstrom roughness and minimal surface defects polished by ultra-fine nano CeO2”為題,發表在Journal of the American Ceramic Society上。該工作的第一作者是我所704組博士研究生吳澤華。上述工作得到國家自然科學基金、大連市科技創新基金、我所創新基金等項目的支持。(文/圖 吳澤華、張志鑫)

      文章鏈接:https://doi.org/10.1111/jace.18884

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