利用飞秒激光在材料基体上加工纳米电极的系统和方法技术方案

本发明专利技术属于飞秒激光应用技术领域，尤其涉及一种利用飞秒激光在材料基体上加工纳米电极的系统和方法。本发明专利技术系统包括长焦高倍物镜、高精度三维运动平台、吹气系统等关键部分。长焦高倍物镜将激光光斑聚焦为亚微米级别，使加工线宽达到百纳米级别，从而实现纳米电极的加工，高精度三维运动平台定位精度高，保证扫线的直线度在纳米尺度的加工中符合加工要求，吹气系统能去除加工过程中产生的材料碎屑，减少材料碎屑的堆积。本发明专利技术方法通过飞秒激光直写加工，烧蚀去除扫描区域内的材料，实现在二维材料基体上加工纳米电极。本发明专利技术系统和方法，可以灵活、快速、精确地在二维材料基体上加工出多种纳米电极以及纳米电极阵列。

【技术实现步骤摘要】
利用飞秒激光在材料基体上加工纳米电极的系统和方法
本专利技术属于飞秒激光应用
，尤其涉及一种利用飞秒激光在材料基体上加工纳米电极的系统和方法。
技术介绍
微电极的特征尺寸为微米或更小级别，配合不同的电解液，可用于超级电容器、传感器等器件，其中微型叉指电极由两个交叉排列的指状电极组成。微电极有利于提高电路系统的集成度，还能用于制造微型元器件，在化工、生物、环境等领域都有重要应用。微电极性能的影响因素有电极之间的距离、电极面积等。微电极在特征尺度达到纳米级别时称为纳米电极，尺度的缩小有利于进一步提高电极的性能和电路的集成度。二维材料是指电子仅可在两个维度的纳米尺度上自由运动(平面运动)的材料，只有几个原子层厚度，常见二维材料包括石墨烯、过渡金属硫族化物、过渡金属碳氮化物等。二维材料的能带结构、化学性质、光电学性质等不同于块体材料，在微器件制备领域具有广泛的应用前景。利用光刻、离子束刻蚀、激光加工等方法可以将二维材料加工出电极形状，作为高性能微电极使用。现有的加工方法存在工艺流程复杂、环境条件苛刻或加工精度不高等问题，在二维材料基体上加工纳米电极的方法仍需要进一步研究。飞秒激光的脉冲时间超短、峰值功率高、热影响区小，适用于多种材料的精确烧蚀去除。利用飞秒激光对二维材料进行直写加工，按照微电极的形状烧蚀去除电极之间的间隙以及微电极的轮廓线，可以直接加工出微电极。相比于其他微纳制造方法，超快激光加工没有真空环境等苛刻的要求，能精确、灵活、快速地加工出各种形状复杂的微电极，同时其加工精度有望达到亚微米甚至纳米级别。用飞秒激光进行烧蚀去除加工时，会产生材料碎屑，一部分飞溅的材料碎屑会落到已经加工出的烧蚀槽内。由于加工的二维材料具有导电性，烧蚀槽内堆积的材料碎屑会影响微电极的性能，可能导致微电极的两个电极导通或者微电极与周围元件之间导通，从而引起短路故障。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种利用飞秒激光在材料基体上加工纳米电极的系统和方法，利用系统中的长焦高倍物镜能将激光光斑缩小到亚微米级别，使加工线宽达到百纳米级别，从而实现纳米级尺度微电极的加工。本专利技术提出的利用飞秒激光在材料基体上加工纳米电极的系统，该系统包括飞秒激光器、反射镜、光阑、衰减片、电控快门、二向色镜、长焦高倍物镜、三维运动平台、半透半反镜、CCD、照明灯、气泵、吹气口和计算机；飞秒激光器输出的飞秒激光经过反射镜反射后，由光阑调节光斑直径，再由衰减片调节激光功率，通过电控快门后，经过二向色镜反射，由长焦高倍物镜聚焦形成亚微米级别的光斑，照射材料样品；材料样品放在三维运动平台上面，随着平台运动；半透半反镜、CCD和照明灯共同组成成像观测系统，实现对加工过程的实时观测；气泵和吹气口由软管连接，组成吹气系统，实现对加工产生碎屑的实时清理；飞秒激光器、电控快门、高精度三维运动平台、CCD、照明灯和气泵分别通过信号线与计算机连接。本专利技术提出的利用飞秒激光在材料基体上加工纳米电极的方法，包括以下步骤：(1)搭建一个利用飞秒激光在材料基体上加工纳米电极的系统，系统包括飞秒激光器、反射镜、光阑、衰减片、电控快门、二向色镜、长焦高倍物镜、高精度运动平台、半透半反镜、CCD、照明灯、气泵、吹气口和计算机；飞秒激光器输出的飞秒激光经过反射镜反射后，先由光阑调节光斑直径，再由衰减片调节激光功率，通过电控快门后，经过二向色镜反射，由长焦高倍物镜聚焦形成亚微米级别的光斑，照射二维材料样品；材料样品放在三维运动平台上面，随着平台运动；半透半反镜、CCD和照明灯共同组成成像观测系统，实现对加工过程的实时观测；气泵和吹气口由软管连接，组成吹气系统，实现对加工产生碎屑的实时清理；飞秒激光器、电控快门、高精度三维运动平台、CCD、照明灯和气泵分别通过信号线与计算机连接，由计算机控制；(2)对飞秒激光加工系统进行调试：打开飞秒激光器，调节光阑，使飞秒激光聚焦前的光斑直径为4mm；调节长焦高倍物镜的位置，使激光焦点处于三维运动平台表面附近；关闭电控快门，打开CCD和照明灯，调节三维运动平台的高度和CCD，使成像清晰；通过衰减片调节激光功率，使飞秒激光在材料样品上产生烧蚀加工效果；调节三维运动平台的高度，使飞秒激光在材料样品上扫线加工出的线宽最小，飞秒激光通过长焦高倍物镜在二维材料样品处聚焦；打开气泵，将吹气口对准材料样品，使材料样品上方形成均匀稳定的流场，进行试加工并调节气泵，使烧蚀槽内堆积的材料碎屑最少；(3)根据待加工纳米电极的形状，调整三维运动平台的平移路径和电控快门的开闭，使超快激光的焦点在材料基体上扫描出纳米电极的轮廓线或电极之间的间隙区域，烧蚀去除扫描区域内的材料，实现在材料基体上的纳米电极的加工。本专利技术提出的利用飞秒激光在二维材料基体上加工纳米电极的系统和方法，有以下优点：1、本专利技术的利用飞秒激光在二维材料基体上加工纳米电极的系统，通过高精度三维运动平台保证了平移运动的高直线度，高精度三维运动平台的定位精度与运动精度高，能使扫线的直线度在纳米尺度的加工中符合加工要求，保证运动轨迹的准确度；通过长焦高倍物镜将激光聚焦到亚微米级别，使加工线宽达到百纳米级别，能精确地加工出各种复杂形状的纳米电极。2、本专利技术的利用飞秒激光在二维材料基体上加工纳米电极的系统，能通过吹气系统产生的气流清理加工产生的材料碎屑，显著减少材料碎屑的堆积，有利于减小材料碎屑对纳米电极性能的影响，降低纳米电极发生短路故障的风险，有利于提高电极的性能、避免短路故障。3、本专利技术的利用飞秒激光在二维材料基体上加工纳米电极的方法，发挥了飞秒激光直写加工的优势，在二维材料基体上扫描出纳米电极的轮廓线及电极之间的间隙区域，烧蚀去除扫描区域内的材料，可以简便、快速、精确地在二维材料基体上加工出多种纳米电极。有利于提高纳米电极的性能和集成度。附图说明图1是本专利技术提出的利用飞秒激光在二维材料基体上加工纳米电极的系统光路图。图2是本专利技术实施例1的加工结果的扫描电镜图。图3是本专利技术实施例2的加工结果的示意图。图1中，1是飞秒激光器，2是反射镜，3是光阑，4是衰减片，5是电控快门，6是二向色镜，7是长焦高倍物镜，8是二维材料样品，9是高精度三维运动平台10是半透半反镜，11是CCD，12是照明灯，13是气泵，14是吹气口，15是计算机。具体实施方式以下结合附图，详细介绍本专利技术提出的利用飞秒激光在二维材料基体上加工纳米电极的系统的一个实施例，如图1所示，本专利技术加工系统包括飞秒激光器1、反射镜2、光阑3、衰减片4、电控快门5、二向色镜6、长焦高倍物镜7、高精度三维运动平台9、半透半反镜10、CCD11、照明灯12、气泵13、吹气口14和计算机15；飞秒激光器1输出的飞秒激光经过反射镜2反射后，先由光阑3调节光斑直径，再由衰减片4调节激光功率，通过电控快门5后，经过二向色镜6反射，由长焦高倍物镜7聚焦形成亚微米级别的光斑，照射二维材料样品8，电控快门5可以控制光路的通断；二维材料样品8放在高精度三维运动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用飞秒激光在材料基体上加工纳米电极的系统，其特征在于，该系统包括飞秒激光器、反射镜、光阑、衰减片、电控快门、二向色镜、长焦高倍物镜、三维运动平台、半透半反镜、CCD、照明灯、气泵、吹气口和计算机；飞秒激光器输出的飞秒激光经过反射镜反射后，由光阑调节光斑直径，再由衰减片调节激光功率，通过电控快门后，经过二向色镜反射，由长焦高倍物镜聚焦形成亚微米级别的光斑，照射材料样品；材料样品放在三维运动平台上面，随着平台运动；半透半反镜、CCD和照明灯共同组成成像观测系统，实现对加工过程的实时观测；气泵和吹气口由软管连接，组成吹气系统，实现对加工产生碎屑的实时清理；飞秒激光器、电控快门、高精度三维运动平台、CCD、照明灯和气泵分别通过信号线与计算机连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用飞秒激光在材料基体上加工纳米电极的系统，其特征在于，该系统包括飞秒激光器、反射镜、光阑、衰减片、电控快门、二向色镜、长焦高倍物镜、三维运动平台、半透半反镜、CCD、照明灯、气泵、吹气口和计算机；飞秒激光器输出的飞秒激光经过反射镜反射后，由光阑调节光斑直径，再由衰减片调节激光功率，通过电控快门后，经过二向色镜反射，由长焦高倍物镜聚焦形成亚微米级别的光斑，照射材料样品；材料样品放在三维运动平台上面，随着平台运动；半透半反镜、CCD和照明灯共同组成成像观测系统，实现对加工过程的实时观测；气泵和吹气口由软管连接，组成吹气系统，实现对加工产生碎屑的实时清理；飞秒激光器、电控快门、高精度三维运动平台、CCD、照明灯和气泵分别通过信号线与计算机连接。


2.一种利用飞秒激光在材料基体上加工纳米电极的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)搭建一个利用飞秒激光在材料基体上加工纳米电极的系统，系统包括飞秒激光器、反射镜、光阑、衰减片、电控快门、二向色镜、长焦高倍物镜、高精度运动平台、半透半反镜、CCD、照明灯、气泵、吹气口和计算机；飞秒激光器输出的飞秒激光经过反射镜反射后，先由光阑调节光斑直径，再由衰减片调节激光功率，通过电控快门后，经过二向色镜反射，由长...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜澜，闫剑锋，郭恒，黄辰潇，
申请(专利权)人：清华大学，北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11