激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)移

1、激光轉(zhuǎn)移打印由于激光具有準(zhǔn)直性，高亮度，單色性和相干性等特點，基于激光的微加工技術(shù)獲得了廣泛應(yīng)用。作為一種非光刻的加工手段，激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)移技術(shù)逐漸發(fā)展成為制備高精度復(fù)雜圖案的理想手段。更關(guān)鍵的是，其加工過程能夠保證所使用復(fù)合材料的性質(zhì)不受損壞。關(guān)于該技術(shù)最早報道開始于1986年，Bohandy利用受激準(zhǔn)分子激光器成功實現(xiàn)了金屬銅的圖案化轉(zhuǎn)移。1 .激光轉(zhuǎn)移打印系統(tǒng)的基本構(gòu)成激光轉(zhuǎn)移打印技術(shù)需要一個脈沖激光，來將打印材料局部的從初始基片轉(zhuǎn)移到接收基片上。初始基片和接收基片之間可以保持微小的距離，也可以直接接觸，從而實現(xiàn)在接收基片上的圖案化直接書寫。初始基片通常是由可以透射激光的材料構(gòu)成，背面包覆打

2、印材料層，也被稱作靶子、供體或者功能片。激光脈沖透過透明的功能片，被打印材料層吸收。當(dāng)入射激光能量超過閥值時，打印材料能夠被噴射到接收基片上。激光光束的掃描和調(diào)整能力保證三維復(fù)雜圖案的構(gòu)成，激光的重復(fù)頻率則決定了打印速度。市售的全自動移動平臺或者檢流計掃描振鏡保證獨立的3D體像素點通過激光的快速移動構(gòu)成高精度的復(fù)雜圖案。激光直寫所需的基本元件如下圖1所示。由于激光轉(zhuǎn)移技術(shù)無需真空環(huán)境或者超凈室，確保了其操作的簡便，以及兼容任意一種材料和基片。圖1,激光轉(zhuǎn)移打印系統(tǒng)的基本示意圖:激光光源與為了對我們后續(xù)的工作進行分解，我們可以將該系統(tǒng)拆分成四部分光路，初始基片和接收基片，三維移動平臺以及實時監(jiān)測

3、系統(tǒng)。2 .激光轉(zhuǎn)移打印與噴墨打印的比較憑借制備簡便、成本低廉的優(yōu)勢，噴墨打印技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類功能器件的制備。通過控制墨滴的準(zhǔn)確定位，噴墨打印能夠快速實現(xiàn)大面積復(fù)雜圖案的直接書寫和復(fù)合功能材料的圖案化。然而受噴孔直徑的限制，現(xiàn)有條件下打印圖案的最小精度為20止匕外，噴孔引發(fā)的阻塞問題也嚴(yán)重影響實際使用效果。與之相比，激光轉(zhuǎn)移打印技術(shù)同樣能夠精確控制液滴的沉積并適用于幾乎所有的功能材料及基底。不同的是，激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)移打印沒有噴嘴的束縛，帶來了多方面的優(yōu)勢。（1）避免了堵塞的問題；（2）打印材料的選擇范圍從低粘度的墨水拓展到高粘度的糊劑，甚至于固體粉末；（3）由于激光光斑可以通過聚焦達(dá)到極小的

4、尺寸，其打印精度可提高至幾個pm同時，激光器本身的優(yōu)勢也為激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)移打印帶來了其他加工手段，如激光誘導(dǎo)材料性質(zhì)的改變，原位切除、固化或者燒結(jié)等。3 .激光轉(zhuǎn)移打印的基本原理激光誘導(dǎo)液滴噴射的原理圖2,激光轉(zhuǎn)移打印的基礎(chǔ)是激光誘導(dǎo)形成液滴的噴射過程,其基本模型包括：（1）激光脈沖使初始基片與轉(zhuǎn)移材料的界面加熱；（2）加熱過程逐漸從分界面?zhèn)鬟f到轉(zhuǎn)移材料薄膜的表面并使其熔化（圖2a）;（3）以此同時，分界面處的轉(zhuǎn)移材料溫度達(dá)到其沸點（圖2b）;（4）轉(zhuǎn)移材料汽化形成的蒸汽壓推動其前方熔化的材料脫離基片并噴向接收基片（圖2c）。此過程在大氣環(huán)境下即可實現(xiàn)，無需真空。根據(jù)基本模型，實驗人員開展了一系列

5、了卓有成效的工作，進一步完善激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)移打印技術(shù)，豐富了其在材料微加工，生物材料，組織工程的多方面的應(yīng)4 .激光轉(zhuǎn)移打印系統(tǒng)4.1 激光光源與光路激光轉(zhuǎn)移打印之所以能夠適用于各種材料的一個重要原因在于其加工過程不會對材料本身產(chǎn)生損壞。通過精確控制激光焦斑在作用區(qū)域的大小和強度，可以確保加工精度和圖案的分辨率。由于我們使用該技術(shù)制備微納結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)移生物材料的需要，因此對于激光器本身的選擇從以下幾部分展開：(a)波長：使用短脈沖激光可以保證加工精度突破衍射極限，而衍射極限跟波長息息相關(guān)，因此激光波長越短，能達(dá)到的加工精度越高。另一方面，考慮到生物材料在激光加工過程中不能受影響，選擇波長較長的紅外激

6、光器優(yōu)先于紫外激光器。(b)脈沖時間，重復(fù)頻率：脈沖時間與激光平均功率決定了單個脈沖的能量。脈沖時間越長，單個脈沖激光能量越大。重復(fù)頻率決定了打印速度，重復(fù)頻率越高，單位時間內(nèi)打印次數(shù)越高。在具體操作過程中，需要接收基片的移動速度配合實現(xiàn)高速打印。(c)光束質(zhì)量(發(fā)散角，空間模式，脈沖穩(wěn)定性)：該參數(shù)保證了打印的穩(wěn)定性，可重復(fù)性以及高分辨。(d)平均功率：激光功率除了要保證打印材料能夠被激發(fā)，還要保存足夠的提高空間以備其他激光用于其他方式的加工，如激光切除，燒結(jié)。在整個系統(tǒng)的光路中，主要是實現(xiàn)對激光光源的調(diào)制和傳輸。最重要的部分是激光照射到打印區(qū)域前，需要通過光學(xué)透鏡對激光聚焦。一方面保證激光

7、光斑的大小，焦斑越小，打印精度越高；另一方面需要保證打印過程中焦斑處于打印材料內(nèi)的統(tǒng)一深度，保證液滴的均勻噴射。4.2 初始基片和接收基片4.2.1 向前轉(zhuǎn)移和向后轉(zhuǎn)移在基本模型中，打印材料直接涂覆在初始基片的背面。而在實際應(yīng)用過程中，為了更好地保護打印材料和控制液滴的均一性而發(fā)展了多種新的打印模式。廣義范圍上，可分為激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移打印和激光誘導(dǎo)向后轉(zhuǎn)移打印。如圖3a所示，向前轉(zhuǎn)移是激光先透過初始基片，打印材料在激光作用下噴射到接收基片上。而向后轉(zhuǎn)移則是激光先透過接收基片，打印材料在激光作用下噴射到接收基片的背面。其中，向前轉(zhuǎn)移的方式得到更廣泛的研究和應(yīng)用。其主要原因在于，向后轉(zhuǎn)移中要求接收

8、基片能夠透射激光，而向前轉(zhuǎn)移則沒有這個限制。然后，向前轉(zhuǎn)移的打印方式也面臨著打印材料制備的困擾，一是粘度較低的打印墨水無法直接給固定在初始基片的背面，二是涂覆在初始基片背面的轉(zhuǎn)移材料要保證幾百微米的厚度和良好的平整性。而向后轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移模式提供了彌補上述兩個缺陷的解決方法。同時，向后轉(zhuǎn)移過程中打印墨水時在接收基片上的撞擊力小于向前轉(zhuǎn)移模式，從而可以使用更小的液滴進行轉(zhuǎn)移。德國漢諾威激光研究所使用向后轉(zhuǎn)移金納米液滴，最小精度達(dá)到300nm圖3,激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移和激光誘導(dǎo)向后轉(zhuǎn)移。4.2.2 向前轉(zhuǎn)移的幾種改進模式傳統(tǒng)的向前轉(zhuǎn)移模型足夠應(yīng)付簡單材料的轉(zhuǎn)移，這些材料可以被汽化或者熔化。但是對于部分復(fù)雜材料

9、需要考慮保護其性質(zhì)不受損壞，如氧化，分解以及在此凝結(jié)過程中的相變。為了解決這些可能問題，發(fā)展出三種有效的解決辦法：（1）動態(tài)釋放層模型；（2）吸收基質(zhì)輔助模型；（3）流態(tài)學(xué)系統(tǒng)模型。動態(tài)釋放層模型：在初始基片和轉(zhuǎn)移材料之間設(shè)置一層金屬薄層（約100nm厚），其作用是打印過程中激光聚焦到該金屬層，有金屬汽化產(chǎn)生足夠的剪切力來轉(zhuǎn)移打印材料。這樣保證了打印過程中，轉(zhuǎn)移材料不被汽化或者熔化，從而避免由于高溫引發(fā)的質(zhì)變?；|(zhì)吸收模型：該模型適用于多組分的粉末材料，將其與有機物或者聚合物混合形成轉(zhuǎn)移材料層均勻涂覆在初始基片背面。在打印過程中，聚合物激光能量并被優(yōu)先汽化，而轉(zhuǎn)移材料噴射沉積到接收基片表面，并

10、且避免激光的損壞。轉(zhuǎn)移完成后，需要將接收基片進行真空高溫處理以去除殘留的聚合物。該方法的優(yōu)勢在于：（1）不需要制備100nm的金屬薄層；（2）聚合物的汽化能量遠(yuǎn)小于固體；（3）轉(zhuǎn)移材料無需汽化或者熔化。流體吸收模型：該模型與基質(zhì)吸收模型相類似，區(qū)別在于利用多相多組分的溶液或者凝膠替代固體聚合物。在具體實現(xiàn)過程中，其原理與基本模型類似，由一部分液體汽化形成的氣壓推動其余組分轉(zhuǎn)移到接收基片上。其優(yōu)勢在于：（1）轉(zhuǎn)移材料不受激光影響；（2）所需能量??；（3）保證了轉(zhuǎn)移過程中材料處于流動狀態(tài)，當(dāng)材料被轉(zhuǎn)移到接收基片后可以合并形成均勻且連續(xù)的圖案。圖4,激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移的幾種模型。（a）基本模型；（b）

11、動態(tài)釋放層模型；（c）基質(zhì)吸收模型；（d）流體吸收模型。4.3 三維移動平臺為了實現(xiàn)圖案化打印，需要移動激光光束的位置或者移動接收基片與初始基片的相對位置。檢流計掃描振鏡可以實現(xiàn)激光光束在X軸和Y軸的偏轉(zhuǎn)，使激光聚焦點在轉(zhuǎn)移材料上按所需的要求運動，其速度快的特點能夠滿足高速打印的需要，但其價格昂貴、掃描范圍小的劣勢限制了其應(yīng)用。法國波爾多大學(xué)激光輔助組織工程試驗組開發(fā)了基于掃描振鏡的激光轉(zhuǎn)移打印機，具激光掃描速度可達(dá)2000mm/s。目前在激光轉(zhuǎn)移打印中得到廣泛應(yīng)用的應(yīng)用的高速多維移動平臺，如Newport的移動平臺可以實現(xiàn)300mm/s,移動精度可以達(dá)到10nm移動范圍達(dá)至U160*100*4.8mm=4.4 實時監(jiān)測系統(tǒng)為了實時監(jiān)測打印過程，除了需要在激光光路上方設(shè)置相機，觀測基片上圖案的打印效果，還需要在側(cè)面設(shè)置相機，實時觀測液滴被激發(fā)、噴射和接收的整個過程。通過分析兩個角度的觀測效果，摸索總結(jié)激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)移打印的最佳條件。圖5,漢諾威激光