增強Diesel馬達的性能
Diesel引擎是世界上運輸部門領域最重要的汽油、柴油燃料使用者之一。Diesel引擎對于公共交通、貨運（通過公路、鐵路及海洋等）及農業機械至關重要。并且，大約40%的歐洲汽車市場是基于Diesel引擎的。
市場對于更高功率及效率的需求，加之嚴格的環境立法對節省燃料以及減小環境污染的苛刻要求，不斷迫使引擎制造商尋求制造方案上的革新。
因為Diesel引擎技術使用高的壓縮比，考慮到潤滑及耐磨的要求，活塞在鑄鐵汽缸套（如圖4所示）中來回移動時的摩擦條件是非常重要的。
傳統的汽缸壁處理
如圖5所示，在傳統汽缸套的內壁上呈現出許多微通道交錯的形貌，這是由于機械拋光（即所謂的搪磨處理）導致的。由于這些微通道的存在，當活塞在汽缸內移動時，缸內的潤滑油將順著這些微通道流出缸外，這將嚴重削弱活塞環和汽缸壁的潤滑效果。并且，事實上，活塞環和汽缸套壁之間的摩擦損耗占據Diesel引擎所有損耗的比例多達60%。
圖5.傳統鑄鐵汽缸套表面的微結構圖（Audi AG）。從圖中可以清晰地看到由于機械搪磨加工引起的呈十字交叉狀的微通道結構。
圖6. 經過準分子激光處理后的汽缸套表面的微結構圖。更為平滑和堅硬的表面意味著更少的摩擦和磨損。釋放出石墨包含物的凹槽可以充當儲油容器（Audi AG）。
基于準分子激光的汽缸壁加工
如圖6所示，借助308nm準分子激光器的紫外光子及氮輔助氣體對汽缸套進行后處理，可以完全將上述不利于潤滑的缸壁表面結構轉變為更利于潤滑的構造。
具有短波長和高光子能量的準分子激光可以與鑄鐵材料發生強烈作用，通過以下的三種效應，將汽缸內表面處理成完全不同的表面。
（1）有選擇地融化到大約2祄深度，可以實現汽缸套表面的大致平滑。
（2）由于近壁表面石墨包含物的釋放，從而形成了可充當儲油容器的凹槽。
（3）氮輔助氣將引起額外的表面硬化，這是因為形成的氮化物將隨即濃縮在熔融表面上。
采用Diesel引擎測試程序進行對比分析，測試結果顯示了經過準分子激光處理的汽缸相對于傳統的搪磨型汽缸在磨損上減少的百分比。準分子激光加工工藝使汽缸套和活塞環的磨損程度減小超過了85%。而且，與傳統的搪磨型汽缸相比，燃油消耗量也減小了大約75%[3]（以上具體數值取決于工作周期）。
因此，準分子激光處理工藝可以提高燃料效率，減少長期磨損，從而反過來又可以減小燃油消耗及有害粒子釋放，進一步節省資源并保護環境。
對于引擎制造商而言，準分子激光處理工藝帶來的經濟效益是雙重的：不但可以使他們的引擎制造輕易符合法律要求，更可使他們的產品在激烈的市場競爭中標新立異。
推進顯示產業發展
在過去幾十年里，全球平板顯示產業在各個顯示領域，從小尺寸的移動電話和汽車導航用顯示屏，中等尺寸的電視機及筆記本電腦顯示屏，再到大尺寸的家庭娛樂系統和廣告屏幕等，均已經歷了巨大的發展。新興的顯示技術，如有機發光二極管技術或者基于柔性襯底的顯示技術（如圖7所示），將會進一步推動顯示產業的迅猛發展。平板顯示制造商將不斷面臨關于減小功率消耗，更快響應時間，增強對比度及更好分辨率等方面的需求，從而對薄膜硅底板也提出了更為苛刻的要求。因此，越來越多地要求更快、更亮的顯示設備，正不斷挑戰著傳統非晶硅底板的性能極限。
圖7. 基于柔性聚合物型底板的可彎曲顯示設備（Plastic Logic GmbH）。
傳統的硅底板加工
對于有源矩陣顯示設備，傳統的技術是采用硅材料，利用高溫高真空化學氣相沉積工藝，形成基本的導電層。然而不幸的是，采用這種技術獲得的硅層大部分在性質上為非結晶的，這意味著將嚴重限制像素切換速度及平板顯示設備的總電力消耗。
特別地，提供更高亮度和更高分辨率的高性能顯示設備，最終還要依賴于快速切換及更小的晶體管，因此，這需要傳統的非晶硅底板提供超過1cm2/V-sec的電子遷移率。
基于準分子激光的硅底板加工
采用額外的準分子激光處理工藝（如圖8所示），可以將低電子遷移率的非晶硅轉變為性能更高的多晶硅薄膜，從而不但可以為新興的有源矩陣型有機發光二極管技術（AM-OLED）提供需要的驅動電流，而且可以為高分辨率有源矩陣型液晶屏（AM-LCD）提供更快的電壓切換。
<
通過對非晶硅層進行選擇性退火及再結晶，可以得到高度有序的微結構，從而實現非晶硅層向多晶硅層的轉變。由于308nm準分子激光的短波長及小的穿透深度，硅下面的玻璃襯底將不會受到高功率準分子激光光束的影響[4]。
另外，考慮到準分子激光幾百瓦的輸出功率，快速大面積處理也是可行的。最終的處理結果是將電子遷移率顯著提高到高于100cm2/V-sec，這個值比傳統非晶硅層高了兩個數量級。圖9所示的多晶硅層，其高度有序的晶格結構可以使電子更容易移動。
圖8. 基于準分子激光的硅退火工藝原理圖，這種工藝可以將厚度大約50nm的非晶硅轉變為具有更高電子遷移率的多晶硅。
因此，準分子激光處理工藝可以推動這類依賴于高電子遷移率的、高分辨率有源矩陣型液晶屏（AM-LCD）和有源矩陣型有機發光二極管 （AM-OLED）更快進入市場，這些顯示產品具有更快、更亮、更薄、更輕的誘人優勢。
總之，由于其低溫退火特性，準分子激光表面變換技術，成為可彎曲電子書及報紙這類基于柔性聚合物襯底（而非玻璃底板）的另類顯示技術的基本工藝環節。
增加太陽電池板的效率
盡管太陽能光電產業在逐年高速發展，但是實現太陽能發電成本與現有電力成本持平的目標仍然很困難。這項技術在沒有被大力扶持的情況下，可能還需要5年或更長的時間才能具有大范圍的競爭優勢。
因此，目前通過工藝優化，材料改進（用于提高太陽能電池效率）以及玻璃、晶片及接觸電極的改進（用于增強對太陽光的捕獲），可以極大地推動太陽能光電市場的發展。
傳統的硅晶片刻蝕
到目前為止，基于多晶硅太陽能電池的硅是目前商業化大規模生產的主體。通常使用線鋸切割硅錠來生產晶片，這個工藝將會在晶片表面上形成深度大約10祄的微小裂痕，因為它將減小晶片的機械強度，并增加在表面區域的重組，所以必須設法消除線鋸引起的損傷。傳統上采用快速溶液刻蝕方法來消除這種線鋸損傷。考慮到結晶面取向及雜質導致的局部不同的刻蝕速度，大約幾個微米隨機分布的缺口將出現在整個表面上（如圖11所示），這種結構不利于光反射損耗。但是，為了得到高效率的太陽能電池，又必須得減小這個表面上的光反射率。 #p#分頁標題#e#
圖9. 經308nm準分子激光退火及再結晶后形成的高度有序的多結晶硅層（The Japan Steel Works Ltd.）。
圖10. 大尺寸多晶太陽電池板裝置。
圖11. 多晶硅晶片經刻蝕液處理后的表面微觀視圖。
準分子激光對凸刻蝕層進行刻圖
通過引入基于準分子激光器的加工工藝，可以顯著提升太陽能電池總的光吸收效率。采用波長為308nm或248nm的準分子激光器對SiNx凸刻蝕層進行大面積掩膜投影加工，可以得到規則的孔形圖案。經準分子激光器燒蝕后的SiNx凸刻蝕層經刻蝕液處理后最終轉化為如圖12所示的結構。
通過對SiNx凸刻蝕層（包含準分子激光燒蝕形成的精確的10祄直徑小孔）進行刻蝕，得到了點距為20祄的規則圖案[5]。
經準分子激光工藝處理后獲得的規則表面結構，可以將入射光轉向，以掠射角度射向玻璃-空氣界面，從而發生全內反射，進而再將光反射回電池表面。在封裝之后，總的光反射率由34%減小至11%，從而使總的電池效率增長了0.4%。
圖12. 采用準分子激光器對SiNx凸刻蝕層進行刻圖，并隨即對多晶硅晶片刻蝕處理后，得到了規則的表面結構。
圖13. 薄的HTS帶與圖中所示數量的銅線可以傳送相等的電力。
目前先進的準分子激光器可以提供幾百瓦的輸出功率及幾百赫茲的脈沖重復頻率，在對SiNx凸刻蝕層進行大面積紫外刻圖時，可以達到每個太陽能電池（尺寸為156mm×156mm）只需幾秒鐘的處理速度。
使超導體商品化
新興的高溫超導體（HTS）產業推動了磁場能量存儲以及工作電流密度高于傳統銅纜系統100倍的電能傳輸網應用。與傳統技術相比，采用基于HTS的系統（可由液氮冷卻），將會帶來更高的效率，更高的電流、電場及電力，更高的功率密度，更輕的重量和更小的尺寸等技術優勢。這一點在圖13上得到了很好的闡釋，攜帶同樣電流所需的銅纜數量遠遠多于扁小的HTS帶，后者僅包含了1祄厚的超導YBCO層。未來HTS在節省成本及能耗上的巨大潛力，將使其成為突破技術屏障的首選方案。而現階段對于商業化HTS而言，最關鍵的是找到節省成本的高性能薄膜沉積技術[6]。
傳統HTS薄膜的金屬有機沉積
金屬有機沉積（MOD）是超導體金屬氧化物薄膜沉積中最有前途的化學工藝。在傳統的MOD工藝中，包含有適當金屬原子（典型為Y、BA 和Cu）的有機前驅溶液被浸覆在襯底層上。隨后，在500℃和1000℃下進行重復的加熱和烘干步驟，這分別用于有機溶劑的移除及氧化。由于基于溶液的沉積本身是一個很快的過程，所得到的YBCO層的晶體結構以及電流密度性能都是不充分的。這個問題甚至無法通過耗時的重復加熱和烘干工藝來克服。
在準分子激光輔助下的有機金屬沉積
通過AIST和JSW的日本研究者的演示，我們可以看到準分子激光用于加速整個加工時間并提升薄膜性能方面的巨大能力。當采用他們那種ELAMOD（Excimer Laser Assisted MOD，準分子激光輔助下的有機金屬沉積）方法時，傳統耗時的加熱及烘干工藝被更快速的308nm大面積準分子激光照面工藝所取代，這將使加工速度提高5倍，并使超導薄膜的性能提升3倍。圖14中所示的顏色急劇變化，反映了由于YBCO層中化學鍵斷裂及重組（由準分子激光器誘發）引起的性能提升。
圖14. 通過ELAMOD方法獲得的YBCO超導體薄層。黑色區域是經準分子激光掩膜形成的，表現出顯著的性能提升（由光化學愈合反應引起）。
圖15. 傳統的溶液沉積YBCO與準分子激光照射處理的YBOC超導體層的臨界電流密度比較。
當用液氮冷卻由準分子激光照射處理的YBCO層時，測量得到了多于六百萬 Acm-2的臨界電流密度（見圖15）。這使得ELAMOD方法（如脈沖準分子激光沉積，PLD）成為推進大規模超導體商業化進程的最有前途的方法。
事實上，ELAMOD方法取得了目前最大的電流密度，高于通過化學溶液沉積工藝所得到的最大電流密度[7]。
在最后這個關于潛在HTS市場的例子中，由于采用準分子激光帶來的加工速度增長，將顯著降低生產成本，并允許更經濟地大規模生產高質量的半導體薄膜設備（采用掩膜刻蝕方法）及HTS帶（采用卷-卷結構）[8]。
未來的應用還包括超導體故障電流限制器（用于穩定電網能量），圖案化的微波過濾器及天線結構，這將能在擁擠的市區為手機提供更好的通信能力。
準分子激光的美好未來
準分子激光在精密和大面積加工應用領域超越了任何其他激光和非激光技術。
在對突破材料限制需求越來越迫切的時代，準分子激光器再次站在了尖端工業激光解決方案的最前沿。
正如上面所指出的，通過采用紫外準分子激光解決方案，可以幫助各式各樣的成熟及新興高科技產品（如顯示，汽車制造，可再生能源工業）越過其內在的性能瓶頸（這僅是表面上的）。
微型化，尤其是薄膜技術的使用，是目前工業制造領域的必然趨勢。推進薄膜技術，不僅可以節省開銷，如在太陽能光電產業中，采用多晶硅可以節省50%的最終模塊成本；而且可以提升性能，如在顯示領域需要采用足夠薄的導電氧化層，從而保證光學透明。在對這些薄的功能層（厚度僅僅為50nm到2祄）進行大面積選擇性刻圖，照明及退火處理方面，憑借著無與倫比的紫外光子能量，準分子激光器將繼續保持其王者地位。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
