[發明專利]一種在銅表面制造長期高效減反微納結構的方法及應用

有效

• 申請號: 202110150007.1
• 申請日: 2021-02-03
• 公開（公告）號: CN112959005B
• 公開（公告）日: 2023-01-24
• 發明（設計）人: 程光華;婁睿;張國棟;王江
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B23P15/00
• 分類號: B23P15/00;B23K26/352;C23C14/35;C23C14/10
• 代理公司: 西安毅聯專利代理有限公司 61225
• 代理人: 師瑋

本發明屬于高導熱介質技術領域，公開了一種在銅表面制造長期高效減反微納結構的方法，包括：將紫銅和/或銅單質樣品進行拋光處理；將拋光后樣品置于激光加工平臺，使用脈沖激光對其進行預設的路徑掃描，獲得具有微納復合結構的樣品表面，將其封裝進真空袋中；將得到的樣品置于磁控濺射設備的樣品爐內，在微納結構表面生長一層二氧化硅保護膜，獲得長期高效的長期高效減反微納結構。本發明在銅表面制備出具有減反特性的微納結構，其后通過鍍膜的方法在微納結構表面生長一層惰性薄膜進行保護，使其具備長期高效的減反功能特性；通過控制磁控濺射的鍍膜時間，靈活控制二氧化硅保護層的厚度，提供強度性能的保護層，有效解決銅表面減反結構失效問題。

技術領域

本發明屬于高導熱介質技術領域，尤其涉及一種在銅表面制造長期高效減反微納結構的方法及應用。

背景技術

目前，銅具有優良的導熱特性，紫銅又名紅銅，是工業純銅，其電導率和熱導率僅次于貴金屬銀，廣泛用于制備導電、導熱和散熱器件，是CPU、GPU、LED、LD等功率散熱器件上最常用的高導熱介質。

然而銅以及銅合金都不能高效吸收可見光、近紅外光和長波紅外。在可見光波段(400nm～700nm)銅的平均反射率大于50％，在波長700nm至中紅外反射率平均大于80％。因此，銅通常作為光波的高反射介質，例如古代化化妝用的銅鏡、現代光學鏡片上的銅膜反射鏡，優化后的銅膜鏡片反射率超過95％。銅等合金的反射率曲線如圖5所示。

在強光或者強散射光環境，需要用吸收體將散射光全部吸收，被吸收的散射光通常轉換為熱量，通過金屬熱沉(銅單質、銅合金、鋁合金等)或其他散熱方式將熱量帶走。紫銅是性能優異的熱導體，適合做熱沉材料；但紫銅對可見光、近紅外、中紅外等電磁輻射吸收率很低，因此亟需一種大幅降低銅表面反射率的方法。

激光處理的微納結構表面在諸多功能器件的研究中具有重要的應用，如寬譜減反、亞波長增透、超親/疏水表面、光學偏振器件等。一般來說，材料表面的功能特性主要取決于材料的化學組分和表面結構。對于同一種基底材料而言，其化學組分已經決定了其本身的固有特性，因此材料的表面結構對于整體的功能特性就起著至關重要的作用。無論是實現何種功能特性的表面，都需要在表面構建特定的微納結構，同時調控其表面成分。納秒激光、皮秒激光、飛秒激光掃描材料表面能產生微米-納米多峰結構，已發展成為一種不可替代的表面微納結構的制備新方法。20世紀90年代末，Eric Mazur教授團隊首次報道“黑硅”這種新材料并對“黑硅”做了系統的研究。研究表明飛秒激光刻蝕單晶硅能夠在其表面產生周期尖錐微米結構，這種結構大幅降低了硅材料的表面反射率。同時，他們發現飛秒激光參數對黑硅微觀結構有著顯著的影響，不同背景氣體和脈寬制備條件對黑硅的光吸收特性也有著顯著的影響，氧族元素在硅能帶內摻雜和散射在紅外光吸收特性中具有重要作用和地位。這個發現引起了學術界的極大關注，十多年來，國內外研究者們將其拓展到不同材料的多種功能微納結構的制備中去，取得了一系列突破性進展。

利用納秒或者飛秒脈沖激光制備微納結構表面，能夠在鈦合金、鋁合金、鎢單質、鉑單質等金屬表面實現對可見光及紅外光的高效吸收。通過納秒/飛秒混合法，或者結合高吸收的納米顆粒等方法，能夠將反射率降低到5％以內，部分金屬能夠降低到1％以內。使用鈦寶石激光、Yb激光和Nd激光等不同波長的激光制備銅單質表面結構都能夠實現有效的光吸收。然而反射率隨時間退化的問題始終存在：在空氣中放置3-4周，微結構表面的顏色從深黑色變為紫色或者綠色，是由于銅表面微結構氧化的原因。為了防止表面微納結構的氧化，導致減反效果的失效。

通過上述分析，現有技術存在的問題及缺陷為：由于銅表面微結構氧化的原因，在空氣中放置3-4周，微結構表面的顏色從深黑色變為紫色或者綠色，反射率隨時間退化的問題始終存在。

解決以上問題及缺陷的難度為：使用有效的方法將銅表面的微結構與環境進行長期有效的隔絕，防止其與空氣中的氧氣進行化學反應，且能夠保證激光誘導的銅表面微結構減反功能不受影響。