CN103934575A - 利用金属纳米颗粒光热效应加工高反射率材料的方法 - Google Patents

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姜蕾蕾
刘丹
任旭东
吕柳
张文
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
    • C23C24/103—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides
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Abstract

本发明公开了一种利用金属纳米颗粒的光热效应加工高反射率材料的方法，包括以下步骤：A在高反射材料表面设置一层金属纳米颗粒；B激光光束照射金属纳米颗粒，引起金属纳米颗粒表面等离子体共振，金属纳米颗粒对光子能量进行强烈吸收后以极高的速度转换和释放能量到周围的待加工材料，使待加工材料在极短的时间产生熔化、气化，实现激光加工。本发明解决了现有激光加工高反射率材料方法中能源浪费、加工效率低、杂质侵入等问题，实现了高反射率材料对激光的高效吸收，进而显著提高了激光去除材料的效率。

Description

利用金属纳米颗粒光热效应加工高反射率材料的方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特别涉及一种利用金属纳米颗粒的光热效应加工高反射率材料或表层镀有高反射率金属的半导体材料的新方法。
背景技术
随着现代加工工艺技术的不断提高，高反射率材料的应用也更加广泛，如在汽车、航空航天领域中应用广泛的金、银、铝、铜、镍等高反射率金属材料，以及半导体领域中表层镀有上述高反射率金属的半导体材料。由于高反射率材料对光的反射率高达80%以上，使用激光对其加工仍是一个难题。
目前，对于高反射率金属材料，激光加工的方法仅限于提高激光的峰值功率、涂抹光束吸收剂、降低加工速度等方法。但上述方法具有增大能源浪费、侵入杂质、延长加工时间等缺点。
对于表层镀有高反射率金属的半导体材料，除了上述几种方法之外，肖和平等人的专利申请CN 102632335A中披露了一种激光加工方法，其采用多光束激光加工系统或单光束激光加工系统与轮刀式切割加工系统相组合的加工方法，可以有效去除高反射材料层，并同时对基材进行加工，提高了加工效率。但采用两种激光加工系统或激光系统与切割加工系统相组合完成此过程，不仅大大增加了整体成本，而且两种加工系统时间同步上需要额外器件控制，容错率较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用金属纳米颗粒的光热效应来加工高反射率材料的新方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种利用金属纳米颗粒的光热效应加工高反射率材料的方法，包括以下步骤：
A 在高反射材料表面设置一层金属纳米颗粒；
B 激光光束照射金属纳米颗粒，引起金属纳米颗粒表面等离子体共振，金属纳米颗粒对光子能量进行强烈吸收后以极高的速度转换和释放能量到周围的待加工材料，使待加工材料在极短的时间产生熔化、气化，实现激光加工。
进一步地，所述高反射率材料为反射率在80%以上的高反射率金属材料。
进一步地，所述高反射率金属材料为高反射率金或高反射率银或高反射率铝或高反射率铜或高反射率铂或高反射率铬或高反射率镍。
上述方案中，所述高反射率材料也可以为表层镀有高反射率金属的半导体材料。
上述方案中，所述高反射率金属材料的厚度为1000～1000000nm，所述金属纳米颗粒的尺寸为数十纳米至数百纳米，优选为10～100nm。
进一步地，所述金属纳米颗粒为被加工的高反射率金属的纳米颗粒。
本发明的优点在于：设计采用在高反射率材料的待加工区域分布被加工的高反射率金属的纳米颗粒的加工方法，利用其光热效应，显著提升材料对激光的吸收率，进而提高了加工效率；把被加工的高反射率金属的纳米颗粒作为光束吸收剂，大大增加激光利用率的同时，解决了杂质侵入的问题。
附图说明
图1为本发明利用金属纳米颗粒的光热效应加工高反射率材料的方法示意图。
图中，1高反射率材料铜板，2激光光束，3铜纳米颗粒，4待加工区域。
具体实施方式                                       
下面通过结合实施例和附图，进一步说明本发明。但本发明不仅限于此，所有具有同等的变化或变换的技术方案也应属于本发明的范畴。
以高反射率材料铜板为例，如图1所示，激光加工高反射率材料铜板1前，在材料的待加工区域4分布一层铜纳米颗粒3。其中，高反射率材料铜板1的反射率在80%以上，高反射率材料铜板1的厚度范围为1000～1000000nm。所述铜纳米颗粒3尺寸为数十纳米至数百纳米，优选为10～100nm，这一范围内的金属纳米颗粒在制备过程中，其尺寸更均匀更容易控制，且此范围内的金属纳米颗粒的消光主要由吸收支配。此外，铜纳米颗粒3的形状不受限制，可以是球形、棒形、壳形、笼形、簇形、星形、三角形或其它不规则形状等各种立体几何形状。所述在材料的待加工区域4设置铜纳米颗粒的方法可以采用目前已经比较成熟的纳米球刻蚀技术来完成，它能够快速地制备二维周期性纳米颗粒阵列体系，并能很方便地大范围控制所生成的纳米颗粒的形状、尺寸、高度和颗粒间的距离。
本发明的实现过程如下：当激光光束2照射到材料待加工区域4上的铜纳米颗粒3时，由于激光频率与铜纳米颗粒3表面自由电子的整体振动频率相匹配，引起其表面自由电子的共振，从而使铜纳米颗粒3对光子能量产生很强的吸收作用，并使光能高效地转换为热能，并迅速传给周围的待加工区域4。此时，通过铜纳米颗粒3所产生并迅速传给待加工区域4的热能，引起周围高反射率材料铜板1的温度急剧升高，使高反射率材料铜板1的加工区域迅速发生熔化、气化，在高反射率材料铜板1表面附近形成等离子体云，并使材料表面形成凹坑，均有利于增强高反射率材料铜板1对激光的吸收，大大缩短了高反射率材料铜板1由表面温度升高、表面熔化到表面气化的时间，提高了激光去除高反射率材料铜板1上的材料的效率和加工速度。

Claims (7)

1.一种利用金属纳米颗粒的光热效应加工高反射率材料的方法，包括以下步骤：
A 在高反射材料表面设置一层金属纳米颗粒；
B 激光光束照射金属纳米颗粒，引起金属纳米颗粒表面等离子体共振，金属纳米颗粒对光子能量进行强烈吸收后以极高的速度转换和释放能量到周围的待加工材料，使待加工材料在极短的时间产生熔化、气化，实现激光加工。
2.根据权利要求1所述的一种利用金属纳米颗粒的光热效应加工高反射率材料的方法，其特征在于，所述高反射率材料为反射率在80%以上的高反射率金属材料。
3.根据权利要求2所述的一种利用金属纳米颗粒的光热效应加工高反射率材料的方法，其特征在于，所述高反射率金属材料为高反射率金或高反射率银或高反射率铝或高反射率铜或高反射率铂或高反射率铬或高反射率镍。
4.根据权利要求1所述的一种利用金属纳米颗粒的光热效应加工高反射率材料的方法，其特征在于，所述高反射率材料为表层镀有高反射率金属的半导体材料。
5.根据权利要求2或4所述的一种利用金属纳米颗粒的光热效应加工高反射率材料的方法，其特征在于，所述高反射率金属材料的厚度为1000～1000000nm，所述金属纳米颗粒的尺寸为数十纳米至数百纳米。
6.根据权利要求5所述的一种利用金属纳米颗粒的光热效应加工高反射率材料的方法，其特征在于，所述金属纳米颗粒的尺寸为10～100nm。
7.根据权利要求6所述的一种利用金属纳米颗粒的光热效应加工高反射率材料的方法，其特征在于，所述金属纳米颗粒为被加工的高反射率金属的纳米颗粒。
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