CN112756798A

CN112756798A - 一种材料表面元素注入的方法

Info

Publication number: CN112756798A
Application number: CN202110015654.1A
Authority: CN
Inventors: 孙小燕; 孔德键; 胡友旺; 段吉安
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2021-01-07
Filing date: 2021-01-07
Publication date: 2021-05-07

Abstract

本发明公开了一种薄膜辅助超短脉冲激光表面元素注入方法，该方法首先将配置好溶液涂覆在靶材表面，溶液在材料表面形成均匀的薄膜层。通过超短脉冲激光烧蚀加工，在靶材表面上制备微纳结构。与此同时，薄膜层在超短脉冲激光的作用下将其所含有的元素注入到靶材表面。通过超短脉冲激光一次加工，实现微纳结构的制备及元素注入。经过超声清洗后，注入元素仍然稳定存在于微纳结构内部，而未处理表面则没有元素注入。通过改变激光功率、扫描速度和薄膜层厚度等，可控制激光处理区域元素含量。该方法具有设备简易、元素注入效率高、加工区域选择性好、元素浓度可调和加工对象广的特点，可应用于减反、耐磨、抗腐蚀和细胞定向生长等领域，具有广阔的应用前景。

Description

一种材料表面元素注入的方法

技术领域

本发明涉及特种加工领域，特指一种利用超快激光烧蚀薄膜层材料的表面元素注入方法。

背景技术

材料表面引入微结构和元素掺杂可改变材料特性，利于提高材料的减反、抗磨、耐腐蚀、细胞附着等光学、机械、化学和生物等方面性能。压印、机械加工和超快激光烧蚀等方法可在材料表面制备微纳结构。但压印技术主要针对聚合物类材料，加工材料受限，机械加工过程中易引起材料变形，超快激光烧蚀加工的优势突出，主要表现为非接触和“冷”加工。而利用离子轰击注入、激光冲击等方法可实现材料内部及表面元素注入。但上述元素注入方法需利用大型专用离子注入装置和掩膜板技术，实现对靶材的局部表面处理，生产效率低。而激光冲击方法利用激光的热效应实现表面元素注入，但加工过程中会引起材料表面重熔，附着变质层。

超短脉冲激光凭借其极短的脉冲宽度和超强的峰值功率密度，可对材料实现超精密去除、改性和材料生长加工，在微纳加工领域具有重要应用。低于材料烧蚀阈值的超短脉冲激光辐照，可在金属、半导体和介电材料表面诱导周期性微纳结构，但在绝缘材料表面则难以诱导微纳结构。而利用超短脉冲激光烧蚀加工可实现各类靶材表面微纳结构加工，且烧蚀过程如果发生在特种气体或液体氛围中，则可实现特种元素的表面注入，但材料表面元素注入浓度较低。此外，在气体环境中加工时需要将样品至于密闭容器中，设备复杂，且限制了高倍物镜的使用。在非饱和液体环境中加工时，由于液体对激光和吸收，激光能量有效利用率低，且由于折射率失配易产生像差，加工精度难以保证。当在低溶解度或不溶材料的溶液中加工时，溶质含量超过溶解度，会产生悬浊液，激光被强散射，不能有效聚焦到材料表面，无法实现元素注入和微结构加工。因此，利用现有超短脉冲激光实现材料表面元素注入技术难以满足高精度、高浓度元素注入表面微结构的加工需求。

发明内容

本发明目的是解决现有材料表面元素注入加工时，材料内部损伤大，注入元素类型受限，元素表面注入浓度低和无法注入的问题，提供一种操作简单、材料内部无损伤、注入元素无选择性、表面元素注入浓度高的加工方法。

本发明提供了一种利用超快激光烧蚀薄膜层材料的表面元素注入方法，包括：

首先在材料表面制备薄膜层，再利用超短脉冲激光烧蚀有薄膜层的材料表面，实现材料表面元素注入加工。该方法包括以下步骤：

(1)在靶材表面制备含有待注入元素的均匀薄膜层。

(2)将上述靶材固定于激光加工系统中。

(3)将超短脉冲激光聚焦于上述靶材与薄膜层的界面，并进行激光烧蚀加工，实现靶材表面元素注入。

(4)将激光烧蚀后的靶材进行超声清洗，注入元素在超短脉冲激光处理区域稳定存在，而未处理区域没有注入元素。

优选地，薄膜层通过溶液热蒸发法制备。配制溶液的溶剂沸点不超过200℃，且对人体无毒无害。

优选地，溶质为可溶物质或微纳米颗粒，当为微纳米颗粒时，特征尺寸小于10μm。

优选地，所述靶材为金属、介质或绝缘体的固体材料。

优选地，加热器温度为50-100℃，蒸发时间为1-100min。

优选地，薄膜层厚度为0.001-10mm。

优选地，所述运动平台直线运动速度为1-4000μm/s。

优选地，激光脉宽小于100ps，激光平均功率小于10W。

优选地，超声清洗液为去离子水、酒精或丙酮，超声振荡时间为5-60min。

本发明提供的材料表面元素注入方法，其核心是利用超短脉冲激光烧蚀加工靶材与表面的薄膜层界面，实现将薄膜层材料所含元素高效注入靶材表面。

本发明的上述技术方案具有如下优点：

(1)本发明通过在材料表面制备均匀的薄膜层，利用超短卖场激光烧蚀对靶材表面进行元素注入。靶材内部无损伤，表面稳定性好，激光处理区域元素含量可控。该方法设备简易、加工区域选择性好，加工效率高，适用材料范围广。

(2)本发明可在超短脉冲激光烧蚀材料的过程中实现表面的微结构构筑和元素注入加工同步完成；并可对材料实现图案化元素注入。

(3)本发明可通过一次加工直接改变材料的多种物化性能，可应用于减反、耐磨、抗腐蚀和细胞定向生长等领域，具有广阔的应用前景。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1为本发明方法流程示意图；

图2为本发明实施例中飞秒激光加工系统示意图；

图3为本发明实施例中样品表面处理过程示意图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种蒸发结晶羟基磷灰石辅助飞秒激光表面注入钙元素的实施方法和流程如图1所示，主要包括靶材表面薄膜层制备、激光烧蚀靶材与薄膜层界面和样品表面清洗，具体步骤下：

S1、如图1所示，将一定质量比的羟基磷灰石纳米颗粒与去离子水混合，并充分搅拌。

S2、用注射器吸取一定体积的羟基磷灰石纳米颗粒水溶液，并将溶液滴涂在清洁的氧化锆表面，保证液膜完全覆盖氧化锆表面。

S3、将靶材放置在恒温加热板上，设置加热温度。水蒸发后，在靶材上形成均匀性较好的薄膜层。

S4、将靶材固定在运动平台上，利用图2所示的飞秒激光加工系统，辅助CCD观测，保证焦点位于薄膜层和靶材界面处。

S5、转动衰减片，激光功率小于100mW，计算机通过软件设置平台的运动速度和运动轨迹，运动速度设置为10μm/s-4000μm/s，运动轨迹可以是线阵列、多边形和圆弧等图形，激光选择性加工表面如图3所示；

S6、将样品放置在超声清洗机中，用去离子水超声清洗10min。如图3所示，最后经过超声清洗后，激光加工区域钙元素质量分数可达到16％以上，而激光未辐照区域无钙元素。

Claims

1.一种材料表面元素注入的方法，其特征在于，所述方法为利用超短脉冲激光烧蚀加工靶材与含待注入元素的薄膜层的界面实现表面元素注入。

2.根据权利要求1所述的材料表面元素注入方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在靶材表面制备含有待注入元素的均匀薄膜层。(2)将上述靶材固定于激光加工系统中。(3)将超短脉冲激光聚焦于上述靶材与薄膜层的界面，并进行激光烧蚀加工，实现靶材表面元素注入。(4)将激光烧蚀后的靶材进行超声清洗，注入元素在超短脉冲激光处理区域稳定存在，而未处理区域没有注入元素。

3.根据权利要求1和2所述的材料表面元素注入方法，其特征在于，所述靶材为固态的金属、半导体、绝缘体中的一种。

4.根据权利要求1和2所述的材料表面元素注入方法，其特征在于，所述的薄膜层厚度均匀，为固态、液态或凝胶态中的一种。

5.根据权利要求1、2和4所述的材料表面元素注入方法，其特征在于，所述的薄膜层可为单层或多层中的一种。

6.根据权利要求1、2、4和5所述的材料表面元素注入方法，其特征在于，所述的薄膜层必须含有待注入元素。

7.根据权利要求1、2、4至6所述的材料表面元素注入方法，其特征在于，所述的薄膜层可采用浸泡、提拉、旋涂、滴涂、喷涂、喷墨打印、溅射和热蒸发等成膜法中的一种或多种。

8.根据权利要求1、2、6至7所述的材料表面元素注入方法，其特征在于，所述的薄膜层的厚度介于1nm-10mm之间。

9.根据权利要求1和2所述的材料表面元素注入方法，其特征在于，所述超短脉冲激光脉宽小于100ps，单脉冲能量小于1mJ，重频低于1MHz。

10.根据权利要求1和2所述的材料表面元素注入方法，其特征在于，所述注入元素含量可通过聚焦激光功率密度、扫描速度和薄膜层厚度进行控制。