[發(fā)明專利]利用兩步法制備表面微納圖形的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410397449.6
• 申請日: 2014-08-13
• 公開（公告）號: CN104174999A
• 公開（公告）日: 2014-12-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉佳琛;邵天敏
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: B23K26/36
• 分類號: B23K26/36
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11245
• 代理人: 關(guān)暢;王春霞

技術(shù)領(lǐng)域

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)

材料的表面性如摩擦、磨損、潤滑以及粘著等，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表面技術(shù)的研究熱點(diǎn)。通過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至微米量級，近些年來隨著微納技術(shù)的發(fā)展及對于微納器件和結(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)。

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，被廣泛應(yīng)用于表面工程領(lǐng)域。利用激光加工毫米量級至微米量級特征尺寸織構(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衍射極限的限制。因此，在獲得亞微米至納米級別的表面織構(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光學(xué)的原理運(yùn)用近場掃描光刻的方法實現(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)，但利用近場光學(xué)原理進(jìn)行表面加工在實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?Material?Processing?and?Characterization?at?Micro/Nano-scales.Advanced?Program?on?8^th?China?National?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1.06μm、脈寬10ns的脈沖激光在材料表面制備寬度3.74μm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，200810008077.8[P].2008-03-07)，導(dǎo)光纖維聚焦加工方法簡單且有很高的加工效率，在單個脈沖的作用下即可獲得長寬比大于1000：1的溝槽。導(dǎo)光纖維聚焦方法雖然可以獲得近場效應(yīng)的作用結(jié)果，但由于微細(xì)光纖在表面近場區(qū)域內(nèi)放置的難度較大，且制備的表面圖形多為直線型，難以實現(xiàn)復(fù)雜圖形的制備。

發(fā)明內(nèi)容

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表面圖形的制備方法。

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：

(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)計聚焦元件的形狀，利用飛秒激光多光子聚合加工裝置對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。

上述的方法中，步驟(1)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；

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可為IP-L的負(fù)性光刻膠，具體購自德國Nanoscribe公司；

所述有機(jī)陶瓷具體可為有機(jī)修飾陶瓷，具體購自德國Nanoscribe公司；

所述半導(dǎo)體具體可為硫系玻璃，如硫化砷玻璃。

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；