增強(qiáng)Diesel馬達(dá)的性能
Diesel引擎是世界上運(yùn)輸部門領(lǐng)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(yùn)（通過公路、鐵路及海洋等）及農(nóng)業(yè)機(jī)械至關(guān)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(yán)格的環(huán)境立法對節(jié)省燃料以及減小環(huán)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?yàn)镈iesel引擎技術(shù)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(dòng)時(shí)的摩擦條件是非常重要的。

傳統(tǒng)的汽缸壁處理
如圖5所示，在傳統(tǒng)汽缸套的內(nèi)壁上呈現(xiàn)出許多微通道交錯(cuò)的形貌，這是由于機(jī)械拋光（即所謂的搪磨處理）導(dǎo)致的。由于這些微通道的存在，當(dāng)活塞在汽缸內(nèi)移動(dòng)時(shí)，缸內(nèi)的潤滑油將順著這些微通道流出缸外，這將嚴(yán)重削弱活塞環(huán)和汽缸壁的潤滑效果。并且，事實(shí)上，活塞環(huán)和汽缸套壁之間的摩擦損耗占據(jù)Diesel引擎所有損耗的比例多達(dá)60%。


 

圖5.傳統(tǒng)鑄鐵汽缸套表面的微結(jié)構(gòu)圖（Audi AG）。從圖中可以清晰地看到由于機(jī)械搪磨加工引起的呈十字交叉狀的微通道結(jié)構(gòu)。

圖6. 經(jīng)過準(zhǔn)分子激光處理后的汽缸套表面的微結(jié)構(gòu)圖。更為平滑和堅(jiān)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(dāng)儲(chǔ)油容器（Audi AG）。

基于準(zhǔn)分子激光的汽缸壁加工
如圖6所示，借助308nm準(zhǔn)分子激光器的紫外光子及氮輔助氣體對汽缸套進(jìn)行后處理，可以完全將上述不利于潤滑的缸壁表面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楦跐櫥臉?gòu)造。
具有短波長和高光子能量的準(zhǔn)分子激光可以與鑄鐵材料發(fā)生強(qiáng)烈作用，通過以下的三種效應(yīng)，將汽缸內(nèi)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(shí)現(xiàn)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(dāng)儲(chǔ)油容器的凹槽。
（3）氮輔助氣將引起額外的表面硬化，這是因?yàn)樾纬傻牡飳㈦S即濃縮在熔融表面上。
采用Diesel引擎測試程序進(jìn)行對比分析，測試結(jié)果顯示了經(jīng)過準(zhǔn)分子激光處理的汽缸相對于傳統(tǒng)的搪磨型汽缸在磨損上減少的百分比。準(zhǔn)分子激光加工工藝使汽缸套和活塞環(huán)的磨損程度減小超過了85%。而且，與傳統(tǒng)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(shù)值取決于工作周期）。
因此，準(zhǔn)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(jìn)一步節(jié)省資源并保護(hù)環(huán)境。
對于引擎制造商而言，準(zhǔn)分子激光處理工藝帶來的經(jīng)濟(jì)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(chǎn)品在激烈的市場競爭中標(biāo)新立異。

推進(jìn)顯示產(chǎn)業(yè)發(fā)展
在過去幾十年里，全球平板顯示產(chǎn)業(yè)在各個(gè)顯示領(lǐng)域，從小尺寸的移動(dòng)電話和汽車導(dǎo)航用顯示屏，中等尺寸的電視機(jī)及筆記本電腦顯示屏，再到大尺寸的家庭娛樂系統(tǒng)和廣告屏幕等，均已經(jīng)歷了巨大的發(fā)展。新興的顯示技術(shù)，如有機(jī)發(fā)光二極管技術(shù)或者基于柔性襯底的顯示技術(shù)（如圖7所示），將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)顯示產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。平板顯示制造商將不斷面臨關(guān)于減小功率消耗，更快響應(yīng)時(shí)間，增強(qiáng)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(shè)備，正不斷挑戰(zhàn)著傳統(tǒng)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(shè)備（Plastic Logic GmbH）。

傳統(tǒng)的硅底板加工
對于有源矩陣顯示設(shè)備，傳統(tǒng)的技術(shù)是采用硅材料，利用高溫高真空化學(xué)氣相沉積工藝，形成基本的導(dǎo)電層。然而不幸的是，采用這種技術(shù)獲得的硅層大部分在性質(zhì)上為非結(jié)晶的，這意味著將嚴(yán)重限制像素切換速度及平板顯示設(shè)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(shè)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(tǒng)的非晶硅底板提供超過1cm2/V-sec的電子遷移率。

基于準(zhǔn)分子激光的硅底板加工
采用額外的準(zhǔn)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(zhuǎn)變?yōu)樾阅芨叩亩嗑Ч璞∧?，從而不但可以為新興的有源矩陣型有機(jī)發(fā)光二極管技術(shù)（AM-OLED）提供需要的驅(qū)動(dòng)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。
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通過對非晶硅層進(jìn)行選擇性退火及再結(jié)晶，可以得到高度有序的微結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)非晶硅層向多晶硅層的轉(zhuǎn)變。由于308nm準(zhǔn)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(huì)受到高功率準(zhǔn)分子激光光束的影響[4]。

另外，考慮到準(zhǔn)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(jié)果是將電子遷移率顯著提高到高于100cm2/V-sec，這個(gè)值比傳統(tǒng)非晶硅層高了兩個(gè)數(shù)量級。圖9所示的多晶硅層，其高度有序的晶格結(jié)構(gòu)可以使電子更容易移動(dòng)。


 

圖8. 基于準(zhǔn)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(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈唠娮舆w移率的多晶硅。

因此，準(zhǔn)分子激光處理工藝可以推動(dòng)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(jī)發(fā)光二極管 （AM-OLED）更快進(jìn)入市場，這些顯示產(chǎn)品具有更快、更亮、更薄、更輕的誘人優(yōu)勢。

總之，由于其低溫退火特性，準(zhǔn)分子激光表面變換技術(shù)，成為可彎曲電子書及報(bào)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(shù)的基本工藝環(huán)節(jié)。

增加太陽電池板的效率
盡管太陽能光電產(chǎn)業(yè)在逐年高速發(fā)展，但是實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電成本與現(xiàn)有電力成本持平的目標(biāo)仍然很困難。這項(xiàng)技術(shù)在沒有被大力扶持的情況下，可能還需要5年或更長的時(shí)間才能具有大范圍的競爭優(yōu)勢。
因此，目前通過工藝優(yōu)化，材料改進(jìn)（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(jìn)（用于增強(qiáng)對太陽光的捕獲），可以極大地推動(dòng)太陽能光電市場的發(fā)展。

傳統(tǒng)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(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的主體。通常使用線鋸切割硅錠來生產(chǎn)晶片，這個(gè)工藝將會(huì)在晶片表面上形成深度大約10祄的微小裂痕，因?yàn)樗鼘p小晶片的機(jī)械強(qiáng)度，并增加在表面區(qū)域的重組，所以必須設(shè)法消除線鋸引起的損傷。傳統(tǒng)上采用快速溶液刻蝕方法來消除這種線鋸損傷?？紤]到結(jié)晶面取向及雜質(zhì)導(dǎo)致的局部不同的刻蝕速度，大約幾個(gè)微米隨機(jī)分布的缺口將出現(xiàn)在整個(gè)表面上（如圖11所示），這種結(jié)構(gòu)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(gè)表面上的光反射率。 #p#分頁標(biāo)題#e#


 

圖9. 經(jīng)308nm準(zhǔn)分子激光退火及再結(jié)晶后形成的高度有序的多結(jié)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(jīng)刻蝕液處理后的表面微觀視圖。

準(zhǔn)分子激光對凸刻蝕層進(jìn)行刻圖
通過引入基于準(zhǔn)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(zhǔn)分子激光器對SiNx凸刻蝕層進(jìn)行大面積掩膜投影加工，可以得到規(guī)則的孔形圖案。經(jīng)準(zhǔn)分子激光器燒蝕后的SiNx凸刻蝕層經(jīng)刻蝕液處理后最終轉(zhuǎn)化為如圖12所示的結(jié)構(gòu)。
通過對SiNx凸刻蝕層（包含準(zhǔn)分子激光燒蝕形成的精確的10祄直徑小孔）進(jìn)行刻蝕，得到了點(diǎn)距為20祄的規(guī)則圖案[5]。
經(jīng)準(zhǔn)分子激光工藝處理后獲得的規(guī)則表面結(jié)構(gòu)，可以將入射光轉(zhuǎn)向，以掠射角度射向玻璃-空氣界面，從而發(fā)生全內(nèi)反射，進(jìn)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(zhǔn)分子激光器對SiNx凸刻蝕層進(jìn)行刻圖，并隨即對多晶硅晶片刻蝕處理后，得到了規(guī)則的表面結(jié)構(gòu)。

圖13. 薄的HTS帶與圖中所示數(shù)量的銅線可以傳送相等的電力。

目前先進(jìn)的準(zhǔn)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(fù)頻率，在對SiNx凸刻蝕層進(jìn)行大面積紫外刻圖時(shí)，可以達(dá)到每個(gè)太陽能電池（尺寸為156mm×156mm）只需幾秒鐘的處理速度。

使超導(dǎo)體商品化
新興的高溫超導(dǎo)體（HTS）產(chǎn)業(yè)推動(dòng)了磁場能量存儲(chǔ)以及工作電流密度高于傳統(tǒng)銅纜系統(tǒng)100倍的電能傳輸網(wǎng)應(yīng)用。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，采用基于HTS的系統(tǒng)（可由液氮冷卻），將會(huì)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(shù)優(yōu)勢。這一點(diǎn)在圖13上得到了很好的闡釋，攜帶同樣電流所需的銅纜數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于扁小的HTS帶，后者僅包含了1祄厚的超導(dǎo)YBCO層。未來HTS在節(jié)省成本及能耗上的巨大潛力，將使其成為突破技術(shù)屏障的首選方案。而現(xiàn)階段對于商業(yè)化HTS而言，最關(guān)鍵的是找到節(jié)省成本的高性能薄膜沉積技術(shù)[6]。

傳統(tǒng)HTS薄膜的金屬有機(jī)沉積
金屬有機(jī)沉積（MOD）是超導(dǎo)體金屬氧化物薄膜沉積中最有前途的化學(xué)工藝。在傳統(tǒng)的MOD工藝中，包含有適當(dāng)金屬原子（典型為Y、BA 和Cu）的有機(jī)前驅(qū)溶液被浸覆在襯底層上。隨后，在500℃和1000℃下進(jìn)行重復(fù)的加熱和烘干步驟，這分別用于有機(jī)溶劑的移除及氧化。由于基于溶液的沉積本身是一個(gè)很快的過程，所得到的YBCO層的晶體結(jié)構(gòu)以及電流密度性能都是不充分的。這個(gè)問題甚至無法通過耗時(shí)的重復(fù)加熱和烘干工藝來克服。

在準(zhǔn)分子激光輔助下的有機(jī)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(zhǔn)分子激光用于加速整個(gè)加工時(shí)間并提升薄膜性能方面的巨大能力。當(dāng)采用他們那種ELAMOD（Excimer Laser Assisted MOD，準(zhǔn)分子激光輔助下的有機(jī)金屬沉積）方法時(shí)，傳統(tǒng)耗時(shí)的加熱及烘干工藝被更快速的308nm大面積準(zhǔn)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(dǎo)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(xué)鍵斷裂及重組（由準(zhǔn)分子激光器誘發(fā)）引起的性能提升。


 

圖14. 通過ELAMOD方法獲得的YBCO超導(dǎo)體薄層。黑色區(qū)域是經(jīng)準(zhǔn)分子激光掩膜形成的，表現(xiàn)出顯著的性能提升（由光化學(xué)愈合反應(yīng)引起）。

圖15. 傳統(tǒng)的溶液沉積YBCO與準(zhǔn)分子激光照射處理的YBOC超導(dǎo)體層的臨界電流密度比較。

當(dāng)用液氮冷卻由準(zhǔn)分子激光照射處理的YBCO層時(shí)，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(zhǔn)分子激光沉積，PLD）成為推進(jìn)大規(guī)模超導(dǎo)體商業(yè)化進(jìn)程的最有前途的方法。
事實(shí)上，ELAMOD方法取得了目前最大的電流密度，高于通過化學(xué)溶液沉積工藝所得到的最大電流密度[7]。
在最后這個(gè)關(guān)于潛在HTS市場的例子中，由于采用準(zhǔn)分子激光帶來的加工速度增長，將顯著降低生產(chǎn)成本，并允許更經(jīng)濟(jì)地大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量的半導(dǎo)體薄膜設(shè)備（采用掩膜刻蝕方法）及HTS帶（采用卷-卷結(jié)構(gòu)）[8]。
未來的應(yīng)用還包括超導(dǎo)體故障電流限制器（用于穩(wěn)定電網(wǎng)能量），圖案化的微波過濾器及天線結(jié)構(gòu)，這將能在擁擠的市區(qū)為手機(jī)提供更好的通信能力。

準(zhǔn)分子激光的美好未來
準(zhǔn)分子激光在精密和大面積加工應(yīng)用領(lǐng)域超越了任何其他激光和非激光技術(shù)。
在對突破材料限制需求越來越迫切的時(shí)代，準(zhǔn)分子激光器再次站在了尖端工業(yè)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(zhǔn)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(chǎn)品（如顯示，汽車制造，可再生能源工業(yè)）越過其內(nèi)在的性能瓶頸（這僅是表面上的）。
微型化，尤其是薄膜技術(shù)的使用，是目前工業(yè)制造領(lǐng)域的必然趨勢。推進(jìn)薄膜技術(shù)，不僅可以節(jié)省開銷，如在太陽能光電產(chǎn)業(yè)中，采用多晶硅可以節(jié)省50%的最終模塊成本；而且可以提升性能，如在顯示領(lǐng)域需要采用足夠薄的導(dǎo)電氧化層，從而保證光學(xué)透明。在對這些薄的功能層（厚度僅僅為50nm到2祄）進(jìn)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(zhǔn)分子激光器將繼續(xù)保持其王者地位。