激光诱导化学过程

1、 激光诱导化学过程 一.激光化学的发展二.激光诱导化学过程的方式三.激光化学的新应用 改变化学反应的改变化学反应的产产率，控制化学反应是化学家梦寐以求率，控制化学反应是化学家梦寐以求的愿望。通常的化学合成方法是把所需的物质混合起来，继的愿望。通常的化学合成方法是把所需的物质混合起来，继而加热或加压，其目的是给分子增加能量而加热或加压，其目的是给分子增加能量, ,最终这个能量打最终这个能量打破了原有的化学键破了原有的化学键, ,又形成一个新的键。不过，这一过程在又形成一个新的键。不过，这一过程在增能量的同时也增加了分子的运动能，从而使化学合成的效增能量的同时也增加了分子的运动能，从而使化学合成的

2、效率也随之降低。率也随之降低。 多年来，化学家一直在探索一种更有效的化学手段。随多年来，化学家一直在探索一种更有效的化学手段。随着激光技术的发展，激发了人们对化学反应控制的新的研究着激光技术的发展，激发了人们对化学反应控制的新的研究兴趣。激光可以对微小的目标传递小而均匀的能量束，这使兴趣。激光可以对微小的目标传递小而均匀的能量束，这使得化学家萌发了用激光来激发化学反应的想法。化学家百鲁得化学家萌发了用激光来激发化学反应的想法。化学家百鲁纳就已指出了纳就已指出了“通过量子相互作用，利用光去控制物质通过量子相互作用，利用光去控制物质”的的激光理论。激光理论。一一.异军突起的激光化学异军突起的激光化

3、学 这一理论理论问世以来，具体实验的例子一直有限，直至最近才有了较大的进展。美国这一理论理论问世以来，具体实验的例子一直有限，直至最近才有了较大的进展。美国依利诺斯大学的戈顿研究组应用不同波长的两束紫外激光照射在碘化氢上，并不时地改依利诺斯大学的戈顿研究组应用不同波长的两束紫外激光照射在碘化氢上，并不时地改变两束激光的相位差，从而成功地改变了两个化学反应产物的量。具体地说，如果混合变两束激光的相位差，从而成功地改变了两个化学反应产物的量。具体地说，如果混合一份氢和一份氧，要想在同一化学过程中制造出水和双氧水，按照传统的方法是不可能一份氢和一份氧，要想在同一化学过程中制造出水和双氧水，按照传统的

4、方法是不可能的，而今利用激光则可办到。戈顿研究组的成功使得化学界十分兴奋，它使人们相信，的，而今利用激光则可办到。戈顿研究组的成功使得化学界十分兴奋，它使人们相信，利用激光可以具体地操纵原子和分子的量子行为，研究出某种奇异的合成方法，产生出利用激光可以具体地操纵原子和分子的量子行为，研究出某种奇异的合成方法，产生出新奇的分子、分子态甚至分子器具。新奇的分子、分子态甚至分子器具。 百鲁纳预言，激光化学的第一个应用领域是制药业，许多分子处于左构形或右构形，百鲁纳预言，激光化学的第一个应用领域是制药业，许多分子处于左构形或右构形，即所谓的即所谓的“手性手性”。在某种情况下，其中的一种形式是有益的药物

5、，而另一种物质却是。在某种情况下，其中的一种形式是有益的药物，而另一种物质却是有害的物质。目前，人们花了大量的时间和金钱去把它们区分出来。如果采用激光合成有害的物质。目前，人们花了大量的时间和金钱去把它们区分出来。如果采用激光合成药物，那就可以大量生产所需的化学物质，而少量的不需要的副产品则可以剔在一旁，药物，那就可以大量生产所需的化学物质，而少量的不需要的副产品则可以剔在一旁，从而使某些药物变得更安全、更廉价。同样，激光也能改变半导体中的电流量和电流方从而使某些药物变得更安全、更廉价。同样，激光也能改变半导体中的电流量和电流方向，故光控半导体可促进光学开关的发展，从而改进电脑和通讯系统。向，

6、故光控半导体可促进光学开关的发展，从而改进电脑和通讯系统。 激光化学的理论诞生于激光化学的理论诞生于1986年，目前它已跃跃欲试地冲出实验室大门，显示出强大年，目前它已跃跃欲试地冲出实验室大门，显示出强大的生命力。同时激光化学的发展也表明，现代科技自提出到应用的周期正在日益缩短。的生命力。同时激光化学的发展也表明，现代科技自提出到应用的周期正在日益缩短。激光加工激光热加工激光光化学反应加工（激光诱导化学过程）：借助于高密度高能光子引发或控制光化学反应的各种加工过程。二二.激光诱导化学过程的内容激光诱导化学过程的内容激光化学过程中最重要的反应是切断分子（分子键断开）。如图所示，蒸发之前用激光照射

7、ABC结合起来的分子,分子键断裂，生成AB和C两个碎片，这两个碎片分别被蒸发到基片上再结合成薄膜，整个过程ABC分子在 AB和C之间的分子键断裂就是激光诱导发生的化学过程。 激光化学过程举例1.1.激光波长和离解能的关系激光波长和离解能的关系 如果每一个分子的离解是由一个光子照射引起的，每1mol的分子所需要的离解能就等于1mol光子的能量，因而1mol分子的离解能可用下式来表示(nm)101.1963(kJ/mol)D50激光波长和离解能的关系示意图如图10-11所示。 激光波长和离解能示意图2.2.激光切断分子激光切断分子 1.直接离解图(a)表示了分子AB直接解离成A+B的情况。 由于处

8、于结合间的电子偏离位子不同，从而形成结合和反结合轨道的电子状态。在结合轨道存在极小的能量值。相反，反结合轨道对于分离态来说是比较稳定的轨道。显而易见，在激光作用下，分子一旦被激励到反结合轨道，分子结合键便会瞬间断裂，这就是直接离解。直接理解的光激励时间非常短，只有fs( 秒 )级。因此电子在吸收能量的过程中，相对较重的原子核处于静止状态，在图中用垂直的直线表示。所以斜虚线的激励使电子获得能量的同时，使原子核间距加大并不容易。分子离解时间就是原子分离时间，在fsps之间。另外，切断结合键的激光光子能量 必须大于分离能 . 1510)(/101963. 1/5nmh0D2.前期离解图(b)所示的是

9、SiH2的生成实例。 首先在具有能量的极小值的结合轨道引起激发，然后按图中箭头所指方向激发的粒子迁移到分离后相对稳定的反结合轨道上，从而导致结合键断裂。前期离解的寿命是psns.3.热分子机理离解 与前期分离类似。像甲苯、C60等具有很高分子量的不饱和碳化物的光解离就属于这种情况。如图(c)所示. 在结合轨道产生激励，处于基底状态的结合轨道上的粒子发生迁移。因为激发粒子具有很高的振动能量，所以称之为热分子。其离解速度较慢，只有ns .s利用红外光依次提高振动能级，可以使振动能量最终超过解离能。如图(d)所示 4.红外多光子离解 虽然振动能级可从j迁移到 ,但是使分子同时吸收两个能级以上的能量并

10、发射光子并非易事，在此采取阶梯式激励。起初只有适合于分子振动的激光才能被吸收，随着能级的增加任何波长都起作用。吸收了红外激光的多数分子是再最薄弱处断裂的，据此可以控制激光反应有目标地切断某一结合键。1j3.3.液体、固体的光化学反应液体、固体的光化学反应 回笼效应光子的能量一部分用于光解离，一部分转变为热。而一旦产生解离周围的溶质争相返回形成再复合，称为“回笼”效应，这也是溶液等物质的量子吸收量变小的另一个原因。如图所示。 三三.拓展：拓展：激光化学的新应用激光化学的新应用通过阅读文献，查看有关激通过阅读文献，查看有关激光技术的最新研究和实验手光技术的最新研究和实验手段。了解激光的产生和其本段

11、。了解激光的产生和其本身特性优点，并利用其特性身特性优点，并利用其特性产生相应的应用技术，促进产生相应的应用技术，促进生产的进步和科学的发展。生产的进步和科学的发展。主要集中于激光的应用主要集中于激光的应用, ,简简要介绍了几种典型的应用激要介绍了几种典型的应用激光的方法，并简述了其特点光的方法，并简述了其特点和本身的优越性。和本身的优越性。1.1.激光化学气相沉积激光化学气相沉积传统的化学气相沉积(CVD)通过在零件基体表面发生化学反应形成薄膜。所有的沉积反应都是吸热反应，需要有热源将基体加热到4001500，一般都在9001000之间的高温区，且难以实现选区定域沉积。而刚刚发展起来的激光化

12、学气相沉积法(Laser Chemical Vapour Deposition)(LCVD)是在真空室内放置基体，通入反应原料气体，在激光束作用下与基体表面及其附近的气体发生化学反应，在基体表面形成沉积薄膜。2.2.激光热处理激光热处理 激光热处理是激光热处理是2020世纪世纪7O7O年代以后迅速发展起来的一种高新年代以后迅速发展起来的一种高新技术，它是利用激光高能量密度的特点，把激光束作为热源技术，它是利用激光高能量密度的特点，把激光束作为热源对材料表面进行局部快速加热，实现相变硬化、表面改性处对材料表面进行局部快速加热，实现相变硬化、表面改性处理等的理想工具。已有报道将激光用于高温陶瓷等的

13、制备。理等的理想工具。已有报道将激光用于高温陶瓷等的制备。由于激光与坯体无接触，没有外来污染，能瞬间达到高温，由于激光与坯体无接触，没有外来污染，能瞬间达到高温，适合对高熔点的材料进行合成。同时，在烧结合成过程中，适合对高熔点的材料进行合成。同时，在烧结合成过程中，激光束能量密度高，合成速度快，有可能产生与一般加热处激光束能量密度高，合成速度快，有可能产生与一般加热处理不同的效果。然而激光热处理在催化剂的制备方面的应用理不同的效果。然而激光热处理在催化剂的制备方面的应用却是一个新的研究方向。在催化剂制备中激光热处理方法可却是一个新的研究方向。在催化剂制备中激光热处理方法可以代替高温焙烧处理催化

14、剂前驱体，制备时间大大缩短，且以代替高温焙烧处理催化剂前驱体，制备时间大大缩短，且干扰因素很少，是一种有一定优势的处理方法。但激光处理干扰因素很少，是一种有一定优势的处理方法。但激光处理过大的功率、过慢的扫描速度会使催化剂晶粒增大、晶型过过大的功率、过慢的扫描速度会使催化剂晶粒增大、晶型过于完整，对催化剂活性不利。如果条件掌握适宜，与高温焙于完整，对催化剂活性不利。如果条件掌握适宜，与高温焙烧催化剂相比，激光处理得到的催化剂晶粒更小，晶相中易烧催化剂相比，激光处理得到的催化剂晶粒更小，晶相中易保留出现夹杂相，产生更多晶格缺陷，有利于活性的提高。保留出现夹杂相，产生更多晶格缺陷，有利于活性的提高

15、。激光热处理工具多功能激光热处理成套设备3.3.激光诱导腐蚀激光诱导腐蚀激光刻字腐蚀激光诱导腐蚀是近年来发展起来的一种新的半导体器件微细加工激光诱导腐蚀是近年来发展起来的一种新的半导体器件微细加工技术，在半导体光器件、集成光学和集成电路的制备中应用日益广技术，在半导体光器件、集成光学和集成电路的制备中应用日益广泛。与激光诱导气相腐蚀相比，激光诱导液相腐蚀因为其工艺条件泛。与激光诱导气相腐蚀相比，激光诱导液相腐蚀因为其工艺条件更加容易实现，操作更加简单而日益成为国内外研究的重点。一般更加容易实现，操作更加简单而日益成为国内外研究的重点。一般的化学腐蚀方法只能依靠晶体解理面走向进行腐蚀，不能有效地

16、按的化学腐蚀方法只能依靠晶体解理面走向进行腐蚀，不能有效地按照需要控制腐蚀的形状。用常规的激光聚焦化学腐蚀方法制作具有照需要控制腐蚀的形状。用常规的激光聚焦化学腐蚀方法制作具有一定深度的腐蚀孔，开始时激光光斑和腐蚀面大小相等，但容易出一定深度的腐蚀孔，开始时激光光斑和腐蚀面大小相等，但容易出现一些问题：随着腐蚀的进行，深度逐渐增大，腐蚀面所在深度的现一些问题：随着腐蚀的进行，深度逐渐增大，腐蚀面所在深度的激光光束半径必然发生变化，使受腐蚀的区域大小发生变化，产生激光光束半径必然发生变化，使受腐蚀的区域大小发生变化，产生横向腐蚀现象，直接影响腐蚀孔直径的控制、腐蚀孔形状和侧壁垂横向腐蚀现象，直接

17、影响腐蚀孔直径的控制、腐蚀孔形状和侧壁垂直度。直度。而现在的研究中，使用抗蚀膜掩蔽法结合激光诱导液相腐蚀法，而现在的研究中，使用抗蚀膜掩蔽法结合激光诱导液相腐蚀法，克服现有激光腐蚀方法的诸多弊端，简化激光腐蚀工艺，在特殊结克服现有激光腐蚀方法的诸多弊端，简化激光腐蚀工艺，在特殊结构光电器件和光电集成中具有广泛的应用前景。抗蚀膜掩蔽法是指构光电器件和光电集成中具有广泛的应用前景。抗蚀膜掩蔽法是指在激光腐蚀中，用抗蚀膜来实现对激光腐蚀区域的控制。此法可以在激光腐蚀中，用抗蚀膜来实现对激光腐蚀区域的控制。此法可以有效地控制激光化学腐蚀的图像形状。，不需要对激光光束进行聚有效地控制激光化学腐蚀的图像形

18、状。，不需要对激光光束进行聚焦，光传播垂直于基片表面，制作出的腐蚀孔侧壁可以具有很高的焦，光传播垂直于基片表面，制作出的腐蚀孔侧壁可以具有很高的垂直度，利用激光光束中心区域能量分布近似均匀的特点，使小面垂直度，利用激光光束中心区域能量分布近似均匀的特点，使小面积腐蚀区域的腐蚀速率近似相等，腐蚀面内各点没有明显的高度差。积腐蚀区域的腐蚀速率近似相等，腐蚀面内各点没有明显的高度差。参考文献：1邓素萍.激光气体分析仪在催化烟道气中的应用J.自动化与仪器仪表, 2010, (1): 81-88.2周秦岭,刘丽英,徐雷,于福熹. 近红外飞秒激光在纯石英玻璃中诱导产生点缺陷结构J.激光与光电子学进展,2003,40(9):20-24.3刘付，王昌盛，唐传核.采用激光光散射技术研究转谷氨酰胺酶催化的乳球蛋白交联反应J.现代食品科技, 2010,26(1):14-18.4许兴中,杨建锋,李小年,严新焕.激光溅射法制备Pt/CNTs催化剂用于邻氯硝基苯的液相加氢反应J.物理化学学报,2008,24(1):121126.5张魁武.激光化学气相沉积(连载一、二、三)J.金属热处理,2007(6)6Akihiko Ouchi, Zdenek Bastl, Jaroslav Bohacek, et. Room-Temperature Reaction between