一种基于悬浊液靶材的微细结构激光诱导植入方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于悬浊液靶材的微细结构激光诱导植入方法，包括将基材置于玻璃器皿内的含有微细颗粒的悬浊液中；激光经过反射镜由凸透镜进行聚焦至基材需要植入微细颗粒的位置；当聚焦的激光能量大于液体的击穿阈值时，激光击穿悬浊液，产生等离子体膨胀辐射出等离子体冲击波；等离子体消失后诱导产生的空化泡溃灭时能对外辐射出冲击波；空化泡与基材表面相互作用产生高速微射流；产生的冲击波及高速微射流推动微细颗粒冲击植入基材。本发明专利技术采用的激光能量不是直接作用于植入靶材上，不会破坏靶材，采用含有微细颗粒的任意深度的悬浊液，源源不断补充植入靶材，以提高连续制备微细结构的效率。本发明专利技术还公开了上述方法的装置。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及表面微细结构加工
，尤其涉及一种基于悬浊液靶材的微细结构激光诱导植入方法及装置。
技术介绍
表面功能化技术长久以来一直是科学研究的重要方向，在工程领域内的应用越来越普遍。近年来微纳米技术的发展，为表面功能化研究注入了新的活力，并随之展现出更为广阔的应用前景。通过改变物体表面的微观物理化学构成，或者在表面加工出一定的微细结构，可以改善工作面的机械、腐蚀、光电子、摩擦磨损以及流体力学等特性，从而提高器件的工作性能和效率。微电路是指具有高密度等效电路元件和（或）部件，并可作为独立件的微电子器件。微机电系统(MEMS)是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统，主要由传感器、作动器（执行器）和微能源三大部分组成，具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产这几个特点。在电子、医学、工业、汽车和航空航天系统方面有着广泛的应用前景。微流控系统，又称微流控分析芯片、微全分析系统(μTAS)或芯片实验室，利用微细加工技术将微通道、微泵、微阀、微反应器、微传感器、微检测器等各种功能单元集成在一块微芯片上，通过控制溶液在其中的流动，来完成生物和化学等领域所涉及的样品制备、混合、反应、分离、检测、生化分析等功能的微型分析系统。在生物分析、微量化学分析与检测，微电子设备冷却，微小卫星仪态调整，便携式燃料电池等领域均展现了良好的应用前景。连续微结构、特别是连续金属微结构，在微电路、微细电子元器件、微流控和微机电系统等领域具有重要的应用意义，近年来人们越来越关注激光诱导向前转移制备金属连续微结构的方法。Jacob（JamesA.Grant-Jacob,BenjaminMills,MatthiasFeinaeugleetal.Micron-scalecopperwiresprintedusingfemtosecondlaser-inducedforwardtransferwithautomateddonorreplenishment.OpticalMaterialsExpress,2013,3(6):747-754.）等提出了一种“自动靶材补给技术”，结合“激光诱导向前转移技术”制备连续金属微线。在激光脉冲熔融并抛出靶材微团的同时，不断移动靶材，使后续激光脉冲辐照于新的靶材区域上，并使后续抛出的微团不断堆叠沉积，形成连续微线，如图1所示，他们利用这种方法成功在硅基片上制备了数十微米宽、长达数毫米的微铜线。“液态靶材向前转移技术”在透明约束层上涂覆数十微米的液态靶材层，如颗粒悬浊液、高分子溶液、胶体和生物流体等，为了吸收激光能量，液态靶材之上往往需要制备吸收层（牺牲层）（如图2（a）），或者在靶材内添加光能吸收材料，以吸收激光能量，提供抛出靶材所需的推动力。采用牺牲层的另一个好处是，可以保护液态靶材，减少激光的热作用影响。Florian（C.Floriana,F.Caballero-Lucasa,J.M.Fernandez-Pradasaetal.Conductivesilverinkprintingthroughthelaser-inducedforwardtransfertechnique.AppliedSurfaceScience,2015,inpress.）等研究了银墨水的激光诱导向前转移，用以在基片上沉积微细导线，实验发现通过液滴重复堆叠所获得的连续微线，相比固体靶材沉积得到的微线，其均匀性更好，微观形貌也更为光滑（图2（b））。现有技术的“自动靶材补给技术”将激光直接照射在固态的靶材上，利用激光能量将靶材熔融、抛出、植入至基材上，“自动靶材补给技术”制备的微线的均匀性和形貌尚待改善，且存在瓶颈和飞溅等缺陷。由于靶材极薄（约数微米）、靶材与基片间空隙极小（约数十微米），利用激光诱导向前转移堆叠沉积连续微结构存在很大的控制难度。而且转移过程中靶材会被激光熔融甚至汽化，很难避免飞溅等问题，导致微结构的均匀性与形貌质量均存在较大不足。现有技术的“液态靶材向前转移技术”在透明约束层上涂覆数十微米的液态靶材层，利用激光能量将靶材植入基材，“液态靶材向前转移技术”由于液态靶材层仍然较薄（约数十微米），极易消耗，为获得质量良好的连续微结构，激光参数的选择和靶材运动的控制，依然比较困难。此外，液体干燥后，残留固形物的连续性、均匀性，及其与基片之间的结合强度，均难以保证。
技术实现思路
针对现有技术中的不足，本专利技术解决的技术问题是提出一种采用含有微细颗粒的任意深度的悬浊液，源源不断补充植入靶材，以提高连续制备微细结构效率的基于悬浊液靶材的微细结构激光诱导植入方法。本专利技术还提出了一种实施基于悬浊液靶材的微细结构激光诱导植入方法的装置。为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提供的基于悬浊液靶材的微细结构激光诱导植入方法，包括以下步骤：S1：将基材置于玻璃器皿内的含有微细颗粒的悬浊液中；S2：激光器产生高能脉冲激光；S3：激光经过光路系统中的反射镜由凸透镜进行聚焦至基材需要植入微细颗粒的位置；S4：当聚焦的激光能量大于液体的击穿阈值时，激光击穿悬浊液，产生等离子体膨胀辐射出等离子体冲击波；S5：等离子体消失后诱导产生的空化泡溃灭时能对外辐射出冲击波；S6：空化泡与基材表面相互作用产生高速微射流；S7：产生的冲击波及高速微射流推动微细颗粒冲击植入基材。优选地，在步骤S1中，所述玻璃器皿放置于三维微细工作平台，三维微细工作平台的运动由计算机及运动控制系统精确控制，三维微细工作平台的垂直方向的运动可调整基材与激光焦点之间的距离，三维微细工作平台做水平方向的二维运动，以扫描的方式，在基材上植入所需的微细结构。为了解决上述技术问题，实施本专利技术的基于悬浊液靶材的微细结构激光诱导植入方法的装置包括激光射入系统、玻璃器皿、三维微细工作平台、计算机及运动控制系统，所述激光射入系统包括激光器、反射镜和凸透镜，所述玻璃器皿内设有含有微细颗粒的悬浊液和基材，基材位于玻璃器皿的底部，激光器产生的高能脉冲激光经过激光射入系统中的反射镜由凸透镜进行聚焦至基材需要植入微细颗粒的位置；所述三维微细工作平台在计算机及运动控制系统的控制下作垂直和水平方向的运动。本专利技术实施例提供的基于悬浊液靶材的微细结构激光诱导植入方法，具有如下有益效果：本专利技术实施例提供的基于悬浊液靶材的微细结构激光诱导植入方法和装置中，激光能量不是直接作用于植入靶材上，不会破坏靶材，采用含有微细颗粒的任意深度的悬浊液，源源不断补充植入靶材，以提高连续制备微细结构的效率；本专利技术使用含有微细颗粒的悬浊液源源不断地提供植入靶材，聚焦激光诱导产生的冲击波及高速微射流体将悬浊液内的靶材推动植入基材，更加适合大规模的连续微结构的制造，本专利技术能够在基材表面制备出具有不同材质或不同相的微细结构层，进一步改善基材的表面性能，提高连续制备微细结构的效率；可以反复连续植入，无需牺牲层，能够制备较大规模的连续、均匀的微细结构，不需要事先制备掩膜，制造效率大大提高，本专利技术除了可以直接将激本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于悬浊液靶材的微细结构激光诱导植入方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将基材（12）置于玻璃器皿（7）内的含有微细颗粒（8）的悬浊液（10）中；S2：激光器（1）产生高能脉冲激光（5）；S3：激光经过光路系统中的反射镜（4）由凸透镜（6）进行聚焦至基材（12）需要植入微细颗粒的位置；S4：当聚焦的激光能量大于液体的击穿阈值时，激光击穿悬浊液，产生等离子体膨胀辐射出等离子体冲击波（11）；S5：等离子体消失后诱导产生的空化泡（9）溃灭时能对外辐射出冲击波；S6：空化泡（9）与基材表面相互作用产生高速微射流；S7：产生的冲击波及高速微射流推动微细颗粒（8）冲击植入基材（12）。

【技术特征摘要】
1.一种基于悬浊液靶材的微细结构激光诱导植入方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将基材（12）置于玻璃器皿（7）内的含有微细颗粒（8）的悬浊液（10）中；
S2：激光器（1）产生高能脉冲激光（5）；
S3：激光经过光路系统中的反射镜（4）由凸透镜（6）进行聚焦至基材（12）需要植入微细颗粒的位置；
S4：当聚焦的激光能量大于液体的击穿阈值时，激光击穿悬浊液，产生等离子体膨胀辐射出等离子体冲击波（11）；
S5：等离子体消失后诱导产生的空化泡（9）溃灭时能对外辐射出冲击波；
S6：空化泡（9）与基材表面相互作用产生高速微射流；
S7：产生的冲击波及高速微射流推动微细颗粒（8）冲击植入基材（12）。
2.如权利要求1所述的基于悬浊液靶材的微细结构激光诱导植入方法，其特征在于，在步骤S1中，所述玻璃器皿（7）放置于三维微细工作平台（13），三维微细...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄志刚，印四华，李洪辉，杨青天，郭钟宁，杨洋，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44