[發明專利]一種利用激光制作金屬微納結構的系統與方法

有效

• 申請號: 201110214482.7
• 申請日: 2011-07-28
• 公開（公告）號: CN102285635A
• 公開（公告）日: 2011-12-21
• 發明（設計）人: 段宣明;曹洪忠;賈雁鵬;陳述;董賢子;趙震聲
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00
• 代理公司: 北京正理專利代理有限公司 11257
• 代理人: 張雪梅

技術領域

本發明涉及一種制作金屬微納結構的系統與方法，尤其涉及一種利用激光直接從金屬離子溶液制作金屬微納結構的系統與方法。

背景技術

金屬微納結構具有表面等離子體等新穎的物理效應，使其在光學器件、納米電路及電極、化學生物傳感器、醫療檢測及生物成像等方面具有極大的應用前景。目前，金屬微納結構的制作方面廣泛采用的自組裝法，雖然可以實現納米尺度的特征尺寸，但是獲得的結構難于控制。光學光刻技術和電子束曝光技術雖然可以獲得可控的納米結構，但是仍面臨著工藝復雜、設備昂貴，金屬材料耗費多，對復雜的三維結構無能為力等缺點。

飛秒激光微納加工技術是20世紀90年代發展起來的一種新技術，它是利用激光焦點區域內材料對激光的多光子吸收而進行的加工，加工區域可以控制在焦點區域內很小的范圍，因此可以實現超衍射極限的三維加工。2001年，Satoshi?Kawata等利用負性光刻膠SCR500獲得120nm的加工分辨率，并且加工了三維微米牛結構，參見Satoshi?Kawata等，Nature，2001，412(6848)：697-698。同樣，飛秒激光微納加工技術也可用于金屬離子的多光子還原制作金屬微納結構。2000年，Pu-Wei?Wu等將飛秒激光聚焦到金屬離子摻雜的透明硅膠中，利用硅膠的多光子吸收后所產生的激發態向貴金屬離子進行電荷轉移的過程，使金屬離子還原成金屬原子，制作出金屬三維微米螺旋結構，參見Pu-Wei?Wu等，Advanced?Materials，2000，12(19)：1438-1441。2006年，日本理化研究所的Takuo?Tanaka等用飛秒激光直接還原AgNO₃水溶液中的銀離子，制作了傾斜立柱和碗形結構，并且獲得了400nm的銀線，銀線的電阻率是塊狀銀電阻率的3.3倍，參見Takuo?Tanaka等，Applied?Physics?Letters，2006，88：081107。2008年，Shoji?Maruo等用飛秒激光還原聚乙烯吡咯烷酮中的銀離子，在聚合物中加工銀線。通過調節聚合物中銀離子的濃度，銀線的電阻率可以降到塊狀銀電阻率的2倍左右，參見Shoji?Maruo等，Optics?Express，2008，16(2)：1174-1179。2009年，中科院理化所的Yao-Yu?Cao等通過在銀氨溶液中加入表面活性劑NDSS，控制飛秒激光還原過程中銀納米顆粒的尺寸，獲得了表面形貌較光滑的120nm的銀線，銀線的形貌和分辨率都有很大突破，參見Yao-Yu?Cao等，Small，2009，5(10)：1144-1148。2010年，吉林大學Bin-BinXu等在銀氨溶液中加入檸檬酸鈉進行銀線加工，獲得了125nm的銀線，其電阻率是塊體材料的10倍左右，參見Bin-Bin?Xu等，Small，2010，6(16)：1762-1766。現有飛秒激光多光子還原制作金屬微納結構的發展說明，飛秒激光在金屬微納結構制作方面具有強大的生命力。但是現有飛秒激光在金屬微納結構制作方面僅能獲得百納米以上的加工分辨率，難于獲得納米尺度的金屬結構。

因此，需要一種能夠提高金屬微納加工的分辨率以獲得納米尺度的金屬結構的方法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種成本低、操作簡單、分辨率高的制作金屬微納結構的方法。

在飛秒激光制作金屬微納結構的技術中，用飛秒激光光源輸出的激光束對含有待加工金屬離子的溶液進行照射時，將激光光源調節為其輸出波長能夠使待加工的金屬離子產生多光子吸收效應并還原為金屬納米顆粒的激光束。激光束并不在其通過的所有區域與溶液發生作用，而僅僅在激光束能量達到可以使溶液產生多光子吸收引發光化學反應的閾值的區域進行。溶液中被激光束的焦點照射的金屬離子同時吸收多個光子產生多光子吸收效應引發光化學反應被還原為金屬納米顆粒。在用飛秒激光束照射金屬離子溶液的同時，施加第二光束，使剛剛形成的金屬納米顆粒在第二激光束的光鑷作用和表面等離子體熱作用下，向激光束焦點的中心聚集并發生熔合，得到加工分辨率更為精細的金屬納米結構。通過將激光多光子還原、光鑷作用和表面等離子體熱作用結合，可以獲得高于單獨利用激光多光子還原金屬離子溶液所達到的加工分辨率和更復雜的金屬微納結構。

根據本發明的第一方面，提供一種利用激光制作金屬微納結構的系統，該系統包括：

第一激光光源，用于提供脈沖寬度為從納秒到飛秒范圍，重復頻率為1Hz-100MHz，波長調節范圍為157nm-1064nm的第一激光束；

用于調節第一激光束曝光能量的第一光衰減器；