同济大学物理科学与工程学院、精密光学工程技术研究所王占山、黄秋实教授等人在高精度光学制造领域取得重要进展。团队系统研究了扫描氩离子束蚀刻过程中低能离子和污染粒子对硅表面高频形貌的影响规律，揭示了硅表面平滑与粗糙化的竞争机制，并发展了硅表面刻蚀平滑的有效方法。相关研究成果以“Evolution of ultrasmooth Si surface under scanning Ar ion beam etching with contamination”为题，发表于《Applied Surface Science》。
离子束刻蚀（IBF）作为天文望远镜、同步辐射大科学装置中高端光学器件制造的核心技术，其原子级加工精度为超光滑表面制备提供了可能。然而，离子束加工过程中不可避免的污染物影响常导致表面粗糙度恶化，成为制约高精度光学制造的关键瓶颈。此前研究多聚焦于大束斑离子束整体刻蚀作用下的表面演化，对实际光学加工中扫描离子束的动态蚀刻特性及污染物的复杂影响研究较少，深刻蚀后粗糙表面的修复难题也亟待解决。
针对这一问题，研究团队通过一维扫描离子束刻蚀设备，采用800eV氩离子束，对超光滑单晶硅反射镜进行240nm至1330nm的梯度刻蚀。通过原子力显微镜（AFM）、掠入射X射线反射率（XRR）、X射线荧光光谱（XRF）等多种测量技术，系统分析了蚀刻深度、污染物成分与表面形貌的关联规律。
研究发现在刻蚀初期（深度为几百纳米），离子束诱导的平滑效应占主导，硅表面高频粗糙度从初始0.15nm降至0.10nm，同时消除了前期机械抛光残留的微缺陷；但当蚀刻深度超过1μm后，本实验中金属掩模和样品架溅射产生的Ti、Fe等金属污染物逐渐团聚形成纳米点结构，纳米颗粒污染物的微掩模和择优溅射效应导致表面粗糙度显著上升至0.26nm。
然而，反射镜经空气暴露后，对粗糙表面进行仅10nm左右深度的第二次刻蚀，表面污染物结构分布重新变得均匀，并使离子束刻蚀带来的平滑作用再次占据主导，使表面粗糙度恢复至0.10nm左右的超光滑水平。该成果为高精度、超光滑X射线反射镜的研制提供了关键指导。
图1 离子束刻蚀硅镜使用的装置与过程示意图
图2 离子束刻蚀前与刻蚀不同深度表面高频形貌的演化情况
图3 基底在不同刻蚀阶段的微观表面形貌与作用机制示意图
论文由黄秋实教授和盛鹏峰博士后为共同通讯作者，博士研究生王荣为第一作者。研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。对论文具有突出贡献的合作者还包括中国科学院上海高等研究院的闫帅研究员、同济大学王占山教授、Igor Kozhevnikov教授等。
论文原文链接：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2026.165968
