激光材料課件

激光納米制造技術(shù)的應(yīng)用姓名：謝朝軍學(xué)號(hào)：11721453內(nèi)容引言新興領(lǐng)域中的應(yīng)用總結(jié)與展望1、引言納米材料具備小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子效應(yīng)、宏觀(guān)量子隧道效應(yīng)以及特殊的光學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)，在電子、化工、冶金、宇航、軍事、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)學(xué)、生物工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿Γ巳驈V泛的注意和深入的研究，人們普遍認(rèn)為納米科技的發(fā)展將推動(dòng)眾多領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，導(dǎo)致21世紀(jì)的一次新技術(shù)革命。納米科技有著十分豐富的研究?jī)?nèi)涵，一般認(rèn)為包括四大領(lǐng)域:即納米材料學(xué)、納米電子學(xué)、納米生物學(xué)和納米制造技術(shù)。激光納米制造技術(shù)的進(jìn)步會(huì)促進(jìn)新型納米結(jié)構(gòu)/器件的開(kāi)發(fā)，同時(shí)，新型納米結(jié)構(gòu)/器件的開(kāi)發(fā)又對(duì)激光納米制造技術(shù)的進(jìn)步具有重要的啟發(fā)和指導(dǎo)意義。本文重點(diǎn)關(guān)注激光納米制造技術(shù)在一些新興領(lǐng)域的應(yīng)用情況，主要涉及表面納米結(jié)構(gòu)和三維納米結(jié)構(gòu)/器件的制造，具體包括超材料、光子晶體、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、生物醫(yī)學(xué)、傳感器以及功能表面等。2、新興領(lǐng)域中的應(yīng)用超材料光子晶體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)生物醫(yī)學(xué)傳感器功能表面超材料超材料是人工形成的二維或三維周期金屬圖形結(jié)構(gòu)材料，入射電磁波通過(guò)這類(lèi)周期金屬結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)沿著與傳統(tǒng)折射材料相反的方向折射，

即具有負(fù)折射率。左手材料改變了傳統(tǒng)光線(xiàn)的傳播方向，具有極大的應(yīng)用價(jià)值，其中最引人注目的便是有可能使物體“隱形”。通過(guò)激光直寫(xiě)技術(shù)（DLW），Gansel等研制出了不同種類(lèi)的超材料，如三維金螺旋光子超材料（如圖1所示）。

圖1（a）

電鍍金后的聚合物結(jié)構(gòu)經(jīng)聚焦離子束切割所得截面圖；（b）經(jīng)等離子體刻蝕去除聚合物后所得左手螺旋結(jié)構(gòu)的斜視圖；（c）較大面積均勻分布螺旋結(jié)構(gòu)的俯視圖,螺旋結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣的點(diǎn)陣常數(shù)為a=2微米通過(guò)金屬納米熔滴的激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)移（LIT）技術(shù)和雙光子聚合（2PP）

技術(shù)的組合，Cao等得到了特征尺寸為180nm的三維銀結(jié)構(gòu)（如圖3所示）以及線(xiàn)寬僅為120nm的銀條紋圖案。圖3（a）

自由站立的銀柱的SEM圖片。插圖是平行于基底的銀柱的全貌圖,可見(jiàn)其最窄部位線(xiàn)寬為180nm,（b）銀金字塔的SEM圖片。左側(cè)插圖是銀金字塔陣列的俯視圖,右側(cè)插圖是單個(gè)銀金字塔的全貌圖基于激光誘導(dǎo)的聚合反應(yīng)，Haske等三維多光子光刻（3DMPL）技術(shù)，利用一種在可見(jiàn)光波長(zhǎng)區(qū)（520nm）具有相當(dāng)大的雙光子吸收截面的光敏引發(fā)劑，

制備出具有納米級(jí)特征尺寸的柴堆狀光子晶體結(jié)構(gòu)，

其線(xiàn)寬僅為（65±5）nm，如圖4所示。圖4用520nm激光制備的柴堆狀光子晶體結(jié)構(gòu)的SEM圖片。（a）激光功率0.60μW，b）激光功率0.45μ.W。下方為其放大圖片相變材料是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域最有前途的材料之一。它們已被用作可擦重寫(xiě)光存儲(chǔ)介質(zhì)，并且在非可變電子存儲(chǔ)器方面也表現(xiàn)出很大的潛力

。Lin等

發(fā)展了一種相變納米光刻技術(shù),用來(lái)實(shí)現(xiàn)二維/三維納米結(jié)構(gòu)的大面積和高速制備。采用這種方法，得到了半峰全寬（FWHM）為55nm的特征結(jié)構(gòu)

。該研究小組還通過(guò)二倍頻飛秒激光與近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡的組合，在紫外光刻膠旋涂薄膜上直寫(xiě)了特征線(xiàn)寬為（20±5）nm的光刻圖案，如圖6所示。通過(guò)以上技術(shù)，

有望實(shí)現(xiàn)超高密度的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。生物醫(yī)學(xué)激光技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用包括生物流體通道，生物芯片（如生物電子芯片、生物流體芯片等），透皮給藥用微針，

聽(tīng)小骨置換假體，以及組織工程支架等的制備?；陔p光子聚合技術(shù)，Venkatakrishnan等提出了一種簡(jiǎn)單、快速且可重復(fù)的納米流體通道的制備方法，并通過(guò)控制單脈沖能量和重復(fù)率，在SU-8光刻膠上得到了寬度僅為110nm的流道，如圖7所示。圖7經(jīng)雙光子聚合技術(shù)得到的流道。（a）流道尺寸隨脈沖能量的變化，從左到右分別為1.23,0.62,0.42,0.69和0.93μm，

（b）從左到右流道尺寸分別為110,150nm在未來(lái)生物芯片的制作過(guò)程中也存在著類(lèi)似的需求，即在體積為納米尺度的高吞吐量工作平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)多種生物材料的精確定位和操縱

。生物元件的小型化，特別是從生物微器械到生物納器械的轉(zhuǎn)變,是研究人員必將面臨的挑戰(zhàn)。借助超快激光的近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡技術(shù)有望成為解決上述挑戰(zhàn)的有效手段。傳感器傳感器是激光納米制造技術(shù)的又一重要應(yīng)用領(lǐng)域，特別是考慮到傳感器同時(shí)在其他領(lǐng)域中發(fā)揮著不可或缺的作用，如微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等。通過(guò)對(duì)Ormocer有機(jī)---無(wú)機(jī)雜化材料進(jìn)行雙光子聚合，Woggon等制備了周期為400nm，

高度為40nm的表面光柵結(jié)構(gòu)，

如圖8所示。該光柵可用作分布反饋(DFB)激光器的諧振腔。而相應(yīng)的激光器可以與傳感元件進(jìn)行集成，作為一個(gè)獨(dú)立的芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。圖8諧振結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡測(cè)量結(jié)果。表面光柵的周

期為400nm,高度為40nm圖9Au表面經(jīng)20000個(gè)激光脈沖輻照處理后得到的激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)。（a）激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)的SEM圖片，

（b）激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)上的納米分枝和納米球形顆粒圖10黑鉑表面結(jié)構(gòu)特征的SEM圖片其他研究人員

也觀(guān)察到了飛秒激光表面結(jié)構(gòu)化處理使金屬黑化的現(xiàn)象，并且制備出了100nm以下的特征結(jié)構(gòu)，如圖11所示。圖11（a）在SF6氣氛下，

經(jīng)400個(gè)激光脈沖（130fs）輻照處理后得到的Ge（100）表面圓錐結(jié)構(gòu)的SEM圖片（b）(a)的高倍放大圖片，

顯示了每個(gè)Ge，圓錐上形成的納米尖端結(jié)構(gòu)，（c）

單個(gè)納米尖端,半徑約為100nm,高度約為1.5m，（d）經(jīng)簡(jiǎn)單的化學(xué)處理后形成的納米針尖總結(jié)與展望重點(diǎn)介紹了激光納米制造技術(shù)在一些新興領(lǐng)域的應(yīng)用情況，具體包括超材料、光子晶體、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、生物醫(yī)學(xué)、傳感器以及功能表面等。目前，由于受到衍射極限的基本限制，常用激光制作小于100nm特征尺寸的能力仍顯不足。不斷突破激光納米制造的尺度極限，逐步提高加工的可重復(fù)性和效率，實(shí)現(xiàn)高精度納米結(jié)構(gòu)的制造以及大尺寸跨尺度結(jié)構(gòu)/構(gòu)件的制造，仍是激光納米制造領(lǐng)域存在的主要挑戰(zhàn)。納米材料所具有的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子效應(yīng)以及特殊的光學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)，使得納米制造表現(xiàn)