利用兩步法制備表面微納圖形的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種利用兩步法制備表面微納圖形的方法。該方法步驟如下：(1)在待加工材料表面的加工區(qū)域涂覆光敏聚合材料；(2)根據(jù)在待加工材料表面制備的微納圖形設(shè)計(jì)聚焦元件的形狀，利用飛秒激光多光子聚合加工裝置對(duì)所述光敏聚合材料進(jìn)行多光子聚合加工；(3)利用表面微納圖形的激光加工裝置對(duì)所述聚焦元件進(jìn)行激光照射，即在待加工材料表面得到微納圖形。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明方法制備過(guò)程簡(jiǎn)便，并提高了聚焦加工過(guò)程的分辨率，從而實(shí)現(xiàn)表面亞微米至納米級(jí)別圖形的制備；采用了激光多光子聚合加工方法可以在任意固體材料表面制備任意形狀的三維結(jié)構(gòu)，因此可以廣泛應(yīng)用于表面復(fù)雜微納圖形的制備中并能實(shí)現(xiàn)大面積的表面微納圖形的制備。
【專利說(shuō)明】利用兩步法制備表面微納圖形的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用兩步法制備表面微納圖形的方法，屬于激光表面加工【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]材料的表面性如摩擦、磨損、潤(rùn)滑以及粘著等，主要取決于材料的表面性質(zhì)，而材料表面的幾何結(jié)構(gòu)則是影響材料表面性質(zhì)的重要因素之一。材料表面幾何結(jié)構(gòu)的制備及其性能研究是近年來(lái)表面技術(shù)的研究熱點(diǎn)。通過(guò)在材料表面制備特殊的幾何圖形(表面織構(gòu))，可以獲得所需的表面性質(zhì)，相關(guān)的技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)應(yīng)用背景的不同，表面織構(gòu)的特征尺寸通常在毫米量級(jí)至微米量級(jí)，近些年來(lái)隨著微納技術(shù)的發(fā)展及對(duì)于微納器件和結(jié)構(gòu)的需求，特征尺寸在亞微米和納米量級(jí)的表面微觀幾何結(jié)構(gòu)成為了這一領(lǐng)域內(nèi)的研究重點(diǎn)。
[0003]獲得表面幾何圖形的方法有很多種，包括機(jī)械加工、電加工、超聲加工、激光加工等，其中激光加工由于其較高的能量密度、良好的單色性及準(zhǔn)直性、非接觸加工且適用于任何固體材料的優(yōu)點(diǎn)，因而具有特別的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于表面工程領(lǐng)域。利用激光加工毫米量級(jí)至微米量級(jí)特征尺寸織構(gòu)的加工方法比較成熟，通常利用聚焦透鏡對(duì)激光進(jìn)行直接聚焦，按照預(yù)先設(shè)定的圖形或路線進(jìn)行照射即可獲得。但由于激光自身的光學(xué)效應(yīng)，導(dǎo)致激光加工的分辨率不能無(wú)限降低，傳統(tǒng)的激光加工方法所獲得的分辨率很難突破所選波長(zhǎng)衍射極限的限制。因此，在獲得亞微米至納米級(jí)別的表面織構(gòu)方面，仍需要特殊的方法和技術(shù)。例如:Lo和Wang等人利用488nm的氬離子激光器基于近場(chǎng)光學(xué)的原理運(yùn)用近場(chǎng)掃描光刻的方法實(shí)現(xiàn)了寬度 128nm 的溝槽加工(Near-Field photolithography by a fiber probe.Proceedings of the 2001 1st IEEE Conference on Nanotechnology, 2001, 36-39),但利用近場(chǎng)光學(xué)原理進(jìn)行表面加工在實(shí)用化方面受到很大限制。Lu用石英玻璃微球作為聚焦系統(tǒng)進(jìn)行激光微納加工，加工形貌的特征尺寸可達(dá)220-700nm(Laser MaterialProcessing and Characterizat1n at Micro/Nano-scales.Advanced Program on8th China Nat1nal Conference on Laser Material Processing-CNCLMP, 2006),但微球主要用于點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)的加工，且在微球按指定位置鋪展等方面存在不便。邵天敏等人基于導(dǎo)光纖維聚焦的方法利用波長(zhǎng)1.06 μ m、脈寬1ns的脈沖激光在材料表面制備寬度3.74μπι的溝槽(基于導(dǎo)光纖維聚焦的材料表面激光微加工方法及裝置:中國(guó)，200810008077.8 [P].2008-03-07)，導(dǎo)光纖維聚焦加工方法簡(jiǎn)單且有很高的加工效率，在單個(gè)脈沖的作用下即可獲得長(zhǎng)寬比大于1000:1的溝槽。導(dǎo)光纖維聚焦方法雖然可以獲得近場(chǎng)效應(yīng)的作用結(jié)果，但由于微細(xì)光纖在表面近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)放置的難度較大，且制備的表面圖形多為直線型，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜圖形的制備。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種利用“兩步法”制備表面微納圖形的方法，本發(fā)明利用激光多光子聚合加工制備聚焦元件，并應(yīng)用所制備的聚焦元件對(duì)激光進(jìn)行聚焦從而在待加工材料表面獲得表面微納圖形；本發(fā)明為一種高效可控的表面亞微米至納米級(jí)表面圖形的制備方法。
[0005]本發(fā)明所提供的利用兩步法制備表面微納圖形的方法，包括如下步驟:
[0006](I)在待加工材料表面的加工區(qū)域涂覆光敏聚合材料；
[0007](2)根據(jù)在待加工材料表面制備的微納圖形設(shè)計(jì)聚焦元件的形狀，利用飛秒激光多光子聚合加工裝置對(duì)所述光敏聚合材料進(jìn)行多光子聚合加工，即在待加工材料表面的加工區(qū)域得到所述聚焦元件；
[0008]所述飛秒激光多光子聚合加工裝置包括飛秒激光器；
[0009](3)利用表面微納圖形的激光加工裝置對(duì)所述聚焦元件進(jìn)行激光照射，即在待加工材料表面得到微納圖形；
[0010]所述表面微納圖形的激光加工裝置包括脈沖激光器。
[0011]上述的方法中，步驟(I)中，所述光敏聚合材料可為光敏聚合物、有機(jī)陶瓷或半導(dǎo)體材料；
[0012]所述光敏聚合物具體可為光刻膠、聚二甲基硅氧烷；所述光刻膠可選擇代號(hào)可為IP-L的負(fù)性光刻膠,具體購(gòu)自德國(guó)Nanoscribe公司；
[0013]所述有機(jī)陶瓷具體可為有機(jī)修飾陶瓷，具體購(gòu)自德國(guó)Nanoscribe公司；
[0014]所述半導(dǎo)體具體可為硫系玻璃，如硫化砷玻璃。
[0015]上述的方法中，步驟(2)中，以球體或圓柱體為加工基本單位形成所述聚焦元件；
[0016]所述球體和所述圓柱體的直徑均小于5 μ m,如200nm?300nm、200nm?400nm、200nm ?600nm、200nm ?800nm、300nm ?800nm、300nm ?600nm、300nm ?400nm、400nm ?800nm、400nm ?600nm、600nm ?800nm、200nm ?3um、200nm ?2um、200nm ?I μ m、400nm ?3 μ m、200nm、300nm、400nm、600nm、800nm、1“111、24111或34 111。
[0017]上述的方法中，步驟(2)中，控制所述飛秒激光器的條件如下:
[0018]激光波長(zhǎng)選擇包含所述光敏聚合材料的征吸收波長(zhǎng)的多倍波長(zhǎng)波段，具體可為775nm ?1550nm ；
[0019]脈沖寬度可為1fs?200fs ；
[0020]重復(fù)頻率可為20MHz?10MHz ;
[0021]功率可為ImW?100mW。
[0022]上述的方法中，步驟(3)中，控制所述脈沖激光器的條件如下:
[0023]波長(zhǎng)選擇包含所述光敏聚合材料特征透射率90%以上波長(zhǎng)波段，具體可為266nm ?1064nm ；
[0024]脈寬可為納秒級(jí)、皮秒級(jí)或飛秒級(jí)，相應(yīng)地由納秒激光器、皮秒激光器或飛秒激光器產(chǎn)生；
[0025]可觸發(fā)單脈沖模式，單脈沖能量密度可為0.lj/cm2?5J/cm2，具體可為0.5J/cm2 ?1.2J/cm2、0.5J/cm2 或 1.2J/cm2。
[0026]本發(fā)明方法中，在步驟(2)之后，最好用清洗溶劑超聲清洗未加工的殘余的所述光敏聚合材料，具體選擇可溶解未發(fā)生聚合反應(yīng)的所述光敏聚合材料相對(duì)應(yīng)的清洗溶劑；
[0027]在步驟(3)之后，最好用清洗溶劑清洗加工材料表面已聚合的聚焦元件，具體選擇可溶解已發(fā)生聚合反應(yīng)的所述光敏聚合材料相對(duì)應(yīng)的清洗溶劑。
[0028]可根據(jù)需要選取待加工材料，選擇可為固體材料,如多晶硅。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0030](I)本發(fā)明采用了激光多光子聚合技術(shù)，對(duì)具有飛秒激光的多光子吸收特性的光敏聚合材料有較高加工分辨率，可以制備最小直徑為10nm左右的聚焦元件。
[0031](2)本發(fā)明中光敏聚合反應(yīng)直接發(fā)生在待加工材料的表面，因此在聚焦元件對(duì)入射激光的聚焦作用環(huán)節(jié)可以產(chǎn)生近場(chǎng)加工效應(yīng)，進(jìn)一步提高聚焦加工過(guò)程的分辨率，從而實(shí)現(xiàn)表面亞微米至納米級(jí)別圖形的制備。
[0032](3)由于激光多光子聚合加工方法的可控性強(qiáng)，制備圖案的線寬和深度可以由聚焦元件的三維結(jié)構(gòu)以及用于后續(xù)聚焦加工的激光器參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此可以在任意固體材料表面制備任意形狀的三維結(jié)構(gòu)，故本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于表面復(fù)雜微納圖形的制備中。
[0033](4)飛秒激光多光子聚合加工具有較高的加工效率，并且所制備聚焦元件特征尺寸多數(shù)在亞微米量級(jí)，因此聚焦元件制備過(guò)程簡(jiǎn)便，易于大面積制備聚焦元件以實(shí)現(xiàn)大面積的表面圖形的制備。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0034]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備的不同直徑圓柱型聚焦元件的掃描電子顯微鏡照片。
[0035]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備的亞微米級(jí)表面圖形的掃描電子顯微鏡照片。
[0036]圖3為本發(fā)明實(shí)施例2制備的不同直徑圓柱型聚焦元件的掃描電子顯微鏡照片。
[0037]圖4為本發(fā)明實(shí)施例2制備的亞微米級(jí)表面圖形的掃描電子顯微鏡照片。

【具體實(shí)施方式】
[0038]下述實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法如無(wú)特殊說(shuō)明，均為常規(guī)方法。
[0039]下述實(shí)施例中所用的材料、試劑等，如無(wú)特殊說(shuō)明，均可從商業(yè)途徑得到。
[0040]實(shí)施例1、在多晶硅表面運(yùn)用飛秒激光器制備微納圖形
[0041]1、利用飛秒激光多光子聚合加工方法，在多晶硅表面按照所需圖形要求制備聚焦元件
[0042](I)選擇多晶硅作為待加工材料，在其表面中心區(qū)域內(nèi)均勻涂覆IP-L光刻膠(購(gòu)自德國(guó)Nanoscribe公司),IP-L光刻膠的特征吸收波段在180nm?320nm。
[0043](2)根據(jù)需要，擬在多晶硅表面制備不同寬度條形溝槽。通過(guò)計(jì)算(具體計(jì)算方法如下:利用時(shí)域有限差分算法(FDTD)，計(jì)算不同寬度直徑的圓柱體聚合元件在激光作用下的能量場(chǎng)分布，與材料破壞閾值相比對(duì)得出加工寬度；具體計(jì)算軟件為L(zhǎng)umerical公司的FDTD Solut1ns (V8.0)。)聚焦兀件對(duì)于激光聚焦后的光場(chǎng)分布,設(shè)計(jì)聚合五根直徑不同的圓柱體聚合元件。
[0044](3)搭建飛秒激光多光子聚合加工裝置，包括鈦藍(lán)寶石飛秒激光器和三維加工位移平臺(tái)。根據(jù)聚焦元件的形狀，利用上述飛秒激光多光子聚合加工裝置對(duì)IP-L光刻膠進(jìn)行多光子聚合加工，控制鈦藍(lán)寶石飛秒激光器的操作條件為:激光波長(zhǎng)780nm，脈寬120fs，重復(fù)頻率100MHz，功率5mW。在上述條件下，即可觸發(fā)對(duì)該飛秒激光器的三光子吸收產(chǎn)生聚合反應(yīng)，IP-L光刻膠經(jīng)飛秒激光掃描的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生三光子吸收發(fā)生聚合反應(yīng)而固化。
[0045](4)調(diào)節(jié)三維加工位移平臺(tái)，鈦藍(lán)寶石飛秒激光通過(guò)掃描的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)于預(yù)設(shè)形狀的多光子聚合加工。
[0046]得到不同直徑圓柱型聚焦元件，其掃描電子顯微鏡照片如圖1所示，直徑從左至右依次為200nm、400nm、I μ m、2 μ m和3 μ m ;柱體長(zhǎng)度均為200 μ m,柱體間間距均為50 μ m。
[0047](5)應(yīng)用無(wú)水乙醇超聲清洗20分鐘，去除殘余未固化的IP-L光刻膠，得到聚焦元件。
[0048]2、對(duì)于表面已聚合聚焦元件的多晶硅進(jìn)行激光照射，通過(guò)聚焦元件將入射激光聚焦，實(shí)現(xiàn)多晶硅表面的圖形化加工
[0049](I)搭建表面微納圖形的激光加工裝置，包括鈦藍(lán)寶石飛秒激光器和三維加工位移平臺(tái)，對(duì)上述制備的聚焦元件進(jìn)行激光照射。
[0050]由于固化的IP-L光刻膠對(duì)于390nm以上激光波段的透射率超過(guò)99%，因此控制鈦藍(lán)寶石飛秒激光器的操作條件如下:波長(zhǎng)800nm，脈寬120fs，單脈沖觸發(fā)模式，調(diào)節(jié)能量使單脈沖能量密度為1.2J/cm2。
[0051](2)調(diào)節(jié)激光器的聚焦位置及光斑大小，調(diào)節(jié)三維加工位移平臺(tái)，施加單個(gè)脈沖，獲得所需的表面微納圖形。
[0052](3)應(yīng)用丙酮超聲清洗多晶硅20分鐘，去除已固化的IP-L光刻膠。
[0053]得到微納圖形的掃描電子顯微鏡照片如圖2所示，為由圖1中200nm的IP-L圓柱體聚焦元件聚焦得到的，其寬度為210nm,深度為30nm。
[0054]實(shí)施例2、在多晶硅表面運(yùn)用納秒激光器制備微納圖形
[0055]1、利用飛秒激光多光子聚合加工方法，在多晶硅表面按照所需圖形要求制備聚焦元件
[0056](I)選擇多晶硅作為待加工材料，在其表面中心區(qū)域內(nèi)均勻涂覆IP-L光刻膠(購(gòu)自德國(guó)Nanoscribe公司),IP-L光刻膠的特征吸收波段在180nm?320nm。
[0057](2)根據(jù)需要，擬在多晶硅表面制備不同寬度條形溝槽。通過(guò)計(jì)算(具體計(jì)算方法如下:利用時(shí)域有限差分算法(FDTD)，計(jì)算不同寬度直徑的圓柱體聚合元件在激光作用下的能量場(chǎng)分布，與材料破壞閾值相比對(duì)得出加工寬度；具體計(jì)算軟件為L(zhǎng)umerical公司的FDTD Solut1ns (V8.0)。)聚焦兀件對(duì)于激光聚焦后的光場(chǎng)分布,設(shè)計(jì)聚合五根直徑不同的圓柱體聚合元件。
[0058](3)搭建飛秒激光多光子聚合加工裝置，包括鈦藍(lán)寶石飛秒激光器和三維加工位移平臺(tái)。根據(jù)聚焦元件的形狀，利用上述飛秒激光多光子聚合加工裝置對(duì)IP-L光刻膠進(jìn)行多光子聚合加工，控制鈦藍(lán)寶石飛秒激光器的操作條件為:激光波長(zhǎng)780nm，脈寬120fs，重復(fù)頻率10MHz，功率5mW。在上述條件下，即可觸發(fā)對(duì)該飛秒激光器的三光子吸收產(chǎn)生聚合反應(yīng)，IP-L光刻膠經(jīng)飛秒激光掃描的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生三光子吸收發(fā)生聚合反應(yīng)而固化。
[0059](4)調(diào)節(jié)三維加工位移平臺(tái)，鈦藍(lán)寶石飛秒激光通過(guò)掃描的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)于預(yù)設(shè)形狀的多光子聚合加工。
[0060]得到不同直徑圓柱型聚焦元件，其掃描電子顯微鏡照片如圖3所示，直徑從左至右依次為200nm、300nm、400nm、600nm和800nm;柱體長(zhǎng)度均為200 μ m，柱體間間距均為50 μ m0
[0061](5)應(yīng)用無(wú)水乙醇超聲清洗20分鐘，去除殘余未固化的IP-L光刻膠，得到聚焦元件。
[0062]2、對(duì)于表面已聚合聚焦元件的多晶硅進(jìn)行激光照射，通過(guò)聚焦元件將入射激光聚焦，實(shí)現(xiàn)多晶硅表面的圖形化加工
[0063](I)搭建表面微納圖形的激光加工裝置，包括YAG納秒脈沖激光器和三維加工位移平臺(tái)，對(duì)上述制備的聚焦元件進(jìn)行激光照射。
[0064]由于固化的IP-L光刻膠對(duì)于390nm以上激光波段的透射率超過(guò)99%，因此控制YAG納秒脈沖激光器的操作條件如下:波長(zhǎng)532nm，脈寬8ns，單脈沖觸發(fā)模式，調(diào)節(jié)能量使單脈沖能量密度為0.5J/cm2。
[0065](2)調(diào)節(jié)激光器的聚焦位置及光斑大小，調(diào)節(jié)三維加工位移平臺(tái)，施加單個(gè)脈沖，獲得所需的表面微納圖形。
[0066](3)應(yīng)用丙酮超聲清洗多晶硅20分鐘，去除已固化的IP-L光刻膠。
[0067]得到微納圖形的掃描電子顯微鏡照片如圖4所示，為由圖1中200nm的IP-L圓柱體聚焦元件聚焦得到的，其寬度為129.65nm,深度為10nm。
[0068]上述實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，其中實(shí)施方法的步驟都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
【權(quán)利要求】
1.利用兩步法制備表面微納圖形的方法，包括如下步驟: (1)在待加工材料表面的加工區(qū)域涂覆光敏聚合材料； (2)根據(jù)在待加工材料表面制備的微納圖形設(shè)計(jì)聚焦元件的形狀，利用飛秒激光多光子聚合加工裝置對(duì)所述光敏聚合材料進(jìn)行多光子聚合加工，即在待加工材料表面的加工區(qū)域得到所述聚焦元件； 所述飛秒激光多光子聚合加工裝置包括飛秒激光器； (3)利用表面微納圖形的激光加工裝置對(duì)所述聚焦元件進(jìn)行激光照射，即在待加工材料表面得到微納圖形； 所述表面微納圖形的激光加工裝置包括脈沖激光器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(I)中，所述光敏聚合材料為光敏聚合物、有機(jī)陶瓷或半導(dǎo)體材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于:步驟(2)中，以球體或圓柱體為加工基本單位形成所述聚焦元件； 所述球體和所述圓柱體的直徑均小于5 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于:步驟(2)中，控制所述飛秒激光器的條件如下: 激光波長(zhǎng)為775nm?1550nm ； 脈沖寬度為1fs?200fs ； 重復(fù)頻率為20MHz?10MHz ； 功率為ImW?100mW。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于:步驟(3)中，控制所述脈沖激光器的條件如下: 波長(zhǎng)為266nm?1064nm ； 脈寬為納秒級(jí)、皮秒級(jí)或飛秒級(jí)； 可觸發(fā)單脈沖模式，單脈沖能量密度為0.lj/cm2?5J/cm2。
【文檔編號(hào)】B23K26/36GK104174999SQ201410397449
【公開(kāi)日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月13日
【發(fā)明者】劉佳琛, 邵天敏 申請(qǐng)人:清華大學(xué)