CN109132998A - 单脉冲纳秒激光诱导透明介电材料表面周期性结构的方法 - Google Patents

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马丁·伊尔哈特
韩冰
克劳斯·齐默
朱日宏
倪晓武
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Nanjing University of Science and Technology
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    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/0009—Forming specific nanostructures
    • B82B3/0033—Manufacture or treatment of substrate-free structures, i.e. not connected to any support

Abstract

本发明提出了一种单脉冲纳秒激光诱导透明介电材料表面周期性结构的方法，包括：在透明介电材料表面覆盖吸收介质堆，所述吸收介质堆包含与透明介电材料接触的中间层以及覆盖在中间层表面的吸收层，所述中间层材料为对作用激光透明的聚合物或对作用激光透明的氧化物，所述吸收层材料为C或者金属；将激光从与透明介电材料覆盖吸收介质堆面相对的一面入射，穿透透明介电材料和中间层，在吸收层被吸收，使吸收介质堆移除，并在透明介电材料覆盖介质堆的一侧表面形成LIPSS。通过本发明制得LIPSS能够改变材料的润湿特性、材料表面细胞黏附与生长特性、调节材料表面催化反应效率。

Description

单脉冲纳秒激光诱导透明介电材料表面周期性结构的方法
技术领域
本发明涉及透明介电材料表面周期性结构制备技术，尤其是一种单脉冲纳秒激光诱导透明介电材料表面周期性结构的方法。
背景技术
介电材料表面微纳尺度周期性结构(PSS)在光学、生物、电子、医疗、材料学领域具有广泛应用前景。产生PSS的方法可以划分为两大类。一类是基于掩膜光刻、电子束曝光、激光相干光刻、激光干\湿法蚀刻的直接成型技术。众所周知，这类技术涉及到复杂的步骤和工艺，需要真空加工环境，并且有时需要使用有毒有害化学试剂或辅助气体。另一类是借助材料的自组织特性形成PSS。例如，利用激光辐照材料表面就是一种诱发材料自组织效应形成PSS的技术手段，即激光诱导周期性表面结构(LIPSS)，或称为ripple。LIPSS是一种具有一定缺陷但是高度周期性的栅状结构，可由多种激光辐照材料表面产生。并且，适用材料范围很广，例如在专利US2014/0083984A1、Wo2006/065356A1、EP1586405A1、DE102005043495A1、US020060173421A1和“Bonse,J.,et al.,Femtosecond laser-inducedperiodic surface structures.Journal of Laser Applications,2012.24(4):p.042006”、“Sanz,M.,et al.,Nanosecond laser-induced periodic surfacestructures on wide band-gap semiconductors.Applied Surface Science,2013.278:p.325-329.”中提及的金属、聚合物、半导体、陶瓷。通常，需要几百到几千个激光脉冲重复辐照来产生LIPSS。已有研究结果表明，LIPSS周期受到辐照激光波长、材料折射率、激光入射角度影响，而LIPSS的取向由激光偏振方向决定。目前，尚无公认可靠模型用以描述LIPSS的产生机理。通常认为，激光与等离子体相互作用、二次谐波的产生、材料表层非均匀加热等效应，是产生LIPSS的可能机制。最具说服力的模型认为，激光在材料表面诱发等离子体基元(SPP)，激光与SPP产生干涉效应，诱发电磁场的周期性排布，并在材料表面形成周期性结构。SiO2或蓝宝石等透明介电材料表面的LIPSS通常是由10ps到50fs脉宽范围的超短脉冲激光诱导产生的。超短脉冲激光能够诱发多光子吸收的非线性效应，因此能够被线性吸收系数很小的透明介电材料吸收。另外，由于脉冲宽度很窄，因而减小了材料表面受到的热冲击。
但是，与纳秒激光系统相比，超短脉冲激光设备复杂而昂贵。另外，纳秒激光系统通常可以产生远高于超短脉冲激光系统的单脉冲激光能量。因而，为了得到相比拟的能量密度，辐照于材料表面的超短脉冲激光光斑需要小于一定的阈值。“Sun,W.,et al.,1064nmnanosecond laser induced concentric rings and periodic ripples structures atthe exit surface of fused silica.Applied Surface Science,2014.309:p.79-84.”中指出，LIPSS同样可由纳秒激光辐照产生。例如，通过脉宽12ns、波长1064nm的纳秒激光从背面辐照SiO2材料，可以在激光能量密度超过材料烧蚀阈值的情况下产生LIPSS。然而，此种情况下LIPSS产生于材料表面烧蚀坑的周围，并伴随有环状烧蚀形貌的产生。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种单脉冲纳秒激光诱导透明介电材料表面周期性结构的方法，解决现有技术制备透明介电材料表面周期性结构造成裂纹、表面粗糙度较高的烧蚀坑、或者环状烧蚀形貌的问题。
实现本发明的技术解决方案为：一种单脉冲纳秒激光诱导透明介电材料表面周期性结构的方法，具体步骤为：
步骤1、在透明介电材料表面覆盖吸收介质堆，所述吸收介质堆包含2层，分别为与透明介电材料接触的中间层，覆盖在中间层表面的吸收层，所述中间层材料为对作用激光透明的聚合物或对作用激光透明的氧化物，所述吸收层材料为C或者金属；
步骤2、将激光从与透明介电材料覆盖吸收介质堆面相对的一面入射，穿透透明介电材料和中间层，在吸收层被吸收，使吸收介质堆移除，并在透明介电材料覆盖介质堆的一侧表面形成LIPSS，其中，所述激光单脉冲能量密度的范围为烧蚀阈值的0.4到0.9倍。
优选地，步骤1中所述吸收介质堆还包括覆盖在吸收层表面的约束层，所述约束层材料为聚合物。
优选地，约束层厚度在0nm到20μm之间。
优选地，步骤1中所述透明介电材料厚度在5μm到10mm之间。
优选地，所述中间层材料厚度在10nm到1000nm之间。
优选地，吸收层厚度在20nm到2μm之间。
优选地，步骤2中的激光为线偏振光，脉宽在2ns到100ns之间，且吸收层平面的激光焦斑直径在15μm到60μm之间。
优选地，步骤2中激光入射到吸收层平面的焦斑直径为25μm。
优选地，步骤2中激光波长大于350nm。
优选地，激光波长范围为1000nm到1084nm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明能够改变材料润湿特性、调节材料表面催化反应效率、利用材料表面实现信息传感、改变光学材料的光学特性、以及材料表面细胞、细菌黏附与生长特性；2)本发明适用于在非平面透明介电材料表面形成LIPSS；3)本发明适用于在透明介电材料表面着色；4)本发明适用于在作为铸模和铸造的母模的印模表面形成LIPSS；5)本发明适用于在微流体、微液压装置表面形成LIPSS；6)本发明无需真空实验环境。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1为透明介电材料表面激光诱导周期性结构(LIPSS)产生实验示意图。
图2为实施例1SiO2基片表面产生LIPSS的扫描电子显微镜扫描结果示意图。
图3为实施例1激光在SiO2基片表面诱导产生LIPSS周期随激光能量密度和约束层厚度变化而改变的实验结果示意图。
图4为实施例1激光在SiO2基片表面诱导产生LIPSS周期随激光能量密度和中间层厚度变化而改变的实验结果示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种单脉冲纳秒激光诱导透明介电材料表面周期性结构的方法，在设定的激光参数区间内，通过单个纳秒激光脉冲在透明介电材料表面产生周期可控的LIPSS。所用激光单脉冲能量密度小于材料烧蚀阈值，因此不会造成裂纹、表面粗糙度较高的烧蚀坑、或者环状烧蚀形貌。具体步骤为：
步骤1、在透明介电材料表面覆盖吸收介质堆，所述吸收介质堆包含2层，分别为与透明介电材料接触的中间层，覆盖在中间层表面的吸收层，所述中间层材料为对作用激光透明的聚合物或对作用激光透明的氧化物，所述吸收层材料为C或者金属；在某些实施例中，中间层材料选用对作用激光透明的聚合物，例如，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、甲基丙烯酸酯(methyl methacrylate)、叠氮奎宁(azide quinine)、酚醛清漆树脂(novolacresin)、重氮萘醌(diazonaphthoquinone)、环氧树脂基聚合物、SU-8光刻胶、偏离化学计量的硫醇-烯OSTE聚合物，或者对作用激光透明的氧化物，例如，Al2O3、ZnO、SiO2。吸收层材料可选用C，或者金属，例如，Cu、Cr、Ag、Au、Ti。
步骤2、将激光从与透明介电材料覆盖吸收介质堆面相对的一面入射，穿透透明介电材料和中间层，在吸收层被吸收，使吸收介质堆移除，并在透明介电材料覆盖介质堆的一侧表面形成LIPSS，其中，所述激光单脉冲能量密度的范围为烧蚀阈值的0.4到0.9倍。激光被吸收层吸收后，首先产生等离子体，进而加热材料表面，产生材料的熔融、气化、以及冲击波辐射。如图2所示，透明介电材料表面形成的LIPSS具有各向同性特征，其栅状结构(即条纹状)的取向一致，并且具有小于激光波长的平均周期。能够有效产生LIPSS的激光能量密度取决于中间层、吸收层的材料和各自的厚度，以及待加工材料种类、作用激光脉宽和波长。通过各种应用实例发现LIPSS周期随作用激光能量密度增加而增加，如图3所示。
进一步的实施例中，步骤1中所述吸收介质堆还包括覆盖在吸收层表面的约束层，所述约束层材料为聚合物。某些实施例中，约束层材料选用聚合物，例如，聚甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸酯(methyl methacrylate)、叠氮奎宁(azide quinine)、酚醛清漆树脂(novolac resin)、重氮萘醌(diazonaphthoquinone)、环氧树脂基聚合物、SU-8光刻胶、偏离化学计量的硫醇-烯OSTE聚合物。
进一步的实施例中，约束层厚度在0nm到20μm之间。如图3所示，通过改变约束层厚度调节LIPSS周期，即增加约束层厚度有助于增加LIPSS周期。
进一步的实施例中，步骤1中所述透明介电材料厚度在5μm到10mm之间。在某些实施例中，透明介电材料选用SiO2、Al2O3、MgF2、CaF2、LiF、BaF2、ZnSe或者玻璃。
进一步的实施例中，所述中间层材料厚度在10nm到1000nm之间。如图4所示，通过改变中间层厚度调节LIPSS周期，即减少中间层厚度有助于增加LIPSS周期。
进一步的实施例中，吸收层厚度在20nm到2μm之间。在某些实施例中，通过改变吸收层厚度调节LIPSS周期，即增加吸收层厚度有助于增加LIPSS周期。
进一步的实施例中，步骤2中的激光为线偏振光，脉宽(半高宽)在2ns到100ns之间，且吸收层平面的激光焦斑直径在15μm到60μm之间。如图3所示，通过改变激光脉宽调节LIPSS周期，即减小激光脉宽有助于增加LIPSS周期。
进一步的实施例中，步骤2中激光入射到吸收层平面的焦斑直径为25μm。
进一步的实施例中，步骤2中激光波长大于350nm。
进一步的实施例中，激光波长范围为1000nm到1084nm。
实施例1
以SiO2基片表面LIPSS的蚀刻过程为例详细描述本发明的技术方案。
(1)采用直径25cm、厚300μm、双面抛光SiO2基片。
(2)通过旋涂方法在SiO2基片单面涂覆500nm厚酚醛清漆树脂(中间层)，随后对酚醛清漆树脂膜曝光，并加热维持在150℃持续1分钟，以便使酚醛清漆树脂膜硬化。最后，通过Ar离子束将酚醛清漆树脂蚀刻至200nm厚。
(3)通过磁控溅射的方法在酚醛清漆树脂膜表面沉积一层厚100nm的Cr膜(吸收层)。
(4)通过旋涂方法在Cr膜表面涂覆6.5μm厚酚醛清漆树脂膜(约束层)，随后对酚醛清漆树脂膜曝光，并加热维持在100℃持续1分钟，以便使酚醛清漆树脂膜硬化。
(5)选用波长1064nm、脉宽10ns、线偏振的Nd:YAG激光作为作用光源，激光从SiO2基片未覆盖膜层一侧(正面)入射，穿透SiO2基片和中间层酚醛清漆树脂膜。
(6)选用106mm焦距透镜聚焦作用激光束，使得激光焦点位于Cr膜吸收层内部，焦平面上激光焦斑直径25μm。
(7)焦平面上激光能量密度20J/cm2。
(8)通过单脉冲激光作用，激光辐照区域的中间层、吸收层和约束层介质同时被移除，SiO2基片上原先覆盖吸收介质的一侧(背面)表面将产生周期在400nm到600nm之间的LIPSS。
(9)通过丙酮溶液超声清洗SiO2基片。
本实施例适用于在透明介电材料表面形成周期在300nm到1500nm的栅状周期性结构(LIPSS)，并分别通过改变激光参数，或者改变吸收介质堆材料特性、几何结构，调节LIPSS周期。通过单脉冲激光作用实现透明介电材料表面LIPSS成型，并使得激光能量密度小于材料烧蚀阈值。通过调节中间层或者约束层厚度，能够调节LIPSS周期。

Claims (10)

1.一种单脉冲纳秒激光诱导透明介电材料表面周期性结构的方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1、在透明介电材料表面覆盖吸收介质堆，所述吸收介质堆包含2层，分别为与透明介电材料接触的中间层，覆盖在中间层表面的吸收层，所述中间层材料为对作用激光透明的聚合物或对作用激光透明的氧化物，所述吸收层材料为C或者金属；
步骤2、将激光从与透明介电材料覆盖吸收介质堆面相对的一面入射，穿透透明介电材料和中间层，在吸收层被吸收，使吸收介质堆移除，并在透明介电材料覆盖介质堆的一侧表面形成LIPSS，其中，所述激光单脉冲能量密度的范围为烧蚀阈值的0.4到0.9倍。
2.根据权利要求1所述的单脉冲纳秒激光诱导透明介电材料表面周期性结构的方法，其特征在于，步骤1中所述吸收介质堆还包括覆盖在吸收层表面的约束层，所述约束层材料为聚合物。
3.根据权利要求2所述的单脉冲纳秒激光诱导透明介电材料表面周期性结构的方法，其特征在于，吸收层厚度在20nm到2μm之间
4.根据权利要求1所述的单脉冲纳秒激光诱导透明介电材料表面周期性结构的方法，其特征在于，步骤1中所述透明介电材料厚度在5μm到10mm之间。
5.根据权利要求1所述的单脉冲纳秒激光诱导透明介电材料表面周期性结构的方法，其特征在于，所述中间层材料厚度在10nm到1000nm之间。
6.根据权利要求1所述的单脉冲纳秒激光诱导透明介电材料表面周期性结构的方法，其特征在于，吸收层厚度在20nm到2μm之间。
7.根据权利要求1所述的单脉冲纳秒激光诱导透明介电材料表面周期性结构的方法，其特征在于，步骤2中的激光为线偏振光，脉宽在2ns到100ns之间，且吸收层平面的激光焦斑直径在15μm到60μm之间。
8.根据权利要求7所述的单脉冲纳秒激光诱导透明介电材料表面周期性结构的方法，其特征在于，步骤2中激光入射到吸收层平面的焦斑直径为25μm。
9.根据权利要求1所述的单脉冲纳秒激光诱导透明介电材料表面周期性结构的方法，其特征在于，步骤2中激光波长大于350nm。
10.根据权利要求9所述的单脉冲纳秒激光诱导透明介电材料表面周期性结构的方法，其特征在于，激光波长范围为1000nm到1084nm。
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