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雙光子聚合飛秒激光單體素加工技術(shù),用于制備連續(xù)漸變微納針形結(jié)構(gòu)

更新時(shí)間:2022-12-21點(diǎn)擊次數(shù):838

基于飛秒激光的直寫(xiě)技術(shù)具有高精度、無(wú)掩模、非接觸及立體加工等優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)前微納加工領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。一方面,飛秒激光由于其超高的光子密度,容易誘發(fā)高分子聚合物材料的雙光子吸收效應(yīng),從而突破光學(xué)衍射極限實(shí)現(xiàn)一百納米量級(jí)的加工精度;另一方面,飛秒激光由于其極窄的脈寬與極。高的峰值功率,在飛秒切削加工金屬、陶瓷等材料時(shí)能夠直接將材料轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體,加工熱影響區(qū)域極小。近年來(lái),飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)已在微納光學(xué)、光信息存儲(chǔ)、仿生材料、生物醫(yī)學(xué)診療等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用,為相關(guān)領(lǐng)域的納米結(jié)構(gòu)加工需求提供了有效的解決方案。


形貌連續(xù)漸變的微納針形結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生非對(duì)稱拉普拉斯壓力、構(gòu)建皮牛量級(jí)力學(xué)環(huán)境、調(diào)節(jié)離子遷徙速率等,在微液滴操控、生物傳感、離子整流等方面都有著廣泛的應(yīng)用前景。
近年來(lái),非接觸、無(wú)掩模的激光直寫(xiě)加工技術(shù)發(fā)展迅速,為加工微納針形結(jié)構(gòu)提供了許多新思路。相比徑跡刻蝕法、微球輔助刻蝕、微納米壓印等微納針形結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)加工方法,基于雙光子聚合(Two-Photon Polymerization,TPP)的飛秒激光直寫(xiě)技術(shù),能夠靈活地調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的外形、變化梯度等形貌參數(shù),且加工周期短,成本低。
然而,目前的TPP激光直寫(xiě)技術(shù)主要通過(guò)激光焦點(diǎn)的逐點(diǎn)、逐層掃描來(lái)構(gòu)建結(jié)構(gòu),針形結(jié)構(gòu)底面直徑或高度通常為數(shù)微米至百微米級(jí)別,尖。端加工精度普遍為百納米量級(jí),不利于構(gòu)建具有納米量級(jí)連續(xù)漸變的針形結(jié)構(gòu);另一方面,基于激光燒蝕和激光輔助加工的微納針形結(jié)構(gòu)底面直徑以及結(jié)構(gòu)高度通常為數(shù)微米,尖。端直徑可以達(dá)到100nm以下,但是針形結(jié)構(gòu)的形貌和分布具有很大的隨機(jī)性。
針對(duì)以上問(wèn)題,西北大學(xué)白晉濤教授和王凱歌研究員課題組近期于《光子學(xué)報(bào)》期刊發(fā)表論文,提出一種基于TPP飛秒激光直寫(xiě)系統(tǒng)中的單個(gè)體素結(jié)合一維傾角控制體素空間位置的加工方法,能夠簡(jiǎn)單高效地加工出具有納米量級(jí)漸變精度的微納針形結(jié)構(gòu)。
該論文首先簡(jiǎn)要介紹了TPP飛秒激光直寫(xiě)系統(tǒng)中的基本單元“體素"以及決定體素尺寸的參數(shù)。在此基礎(chǔ)上簡(jiǎn)述了常規(guī)的TPP層掃描加工微納針形結(jié)構(gòu)中的問(wèn)題和不足(如圖1所示)。隨后,該研究提出以體素為基本單元,同時(shí)在加工中引入一維傾角控制體素在樣品中的軸向空間位置,最終實(shí)現(xiàn)形貌連續(xù)漸變的微納針形結(jié)構(gòu)加工,其原理如圖2所示。

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圖1 飛秒激光雙光子加工體素與層掃描加工微納針形結(jié)構(gòu)形貌

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圖2 單體素加工原理及結(jié)構(gòu)分析

圖3為該研究的實(shí)驗(yàn)裝置與選用的光刻膠材料。在加工中,首先標(biāo)定了在不同的激光功率下體素的尺寸大小。隨后,設(shè)定實(shí)驗(yàn)中掃描速度、光刻膠材料的配比不變,選取入瞳處激光功率作為變量,通過(guò)不同的功率參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同尺寸微納針形結(jié)構(gòu)加工,其加工結(jié)果如圖4所示。微納針形結(jié)構(gòu)的理論預(yù)測(cè)的長(zhǎng)度和實(shí)驗(yàn)所得的實(shí)際長(zhǎng)度基本一致。

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圖3 實(shí)驗(yàn)裝置及樣品成分

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圖4 微納針形結(jié)構(gòu)加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為進(jìn)一步獲取微納針形結(jié)構(gòu)的尖。端部分的形貌,選取3mW、7mW的尖。端結(jié)構(gòu)利用原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope,AFM)分別進(jìn)行了表征。如圖5所示,AFM結(jié)果顯示針形結(jié)構(gòu)頂端最小高度達(dá)到5nm,橫向最小線寬為195nm,且微納針形結(jié)構(gòu)整體連續(xù)漸變。

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圖5 針尖結(jié)構(gòu)AFM影像及其形貌分析

最后,為了分析樣品的傾斜角度對(duì)微納針形結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度和形貌產(chǎn)生的影響,選取了不同的傾斜角度加工出針形結(jié)構(gòu),并分析其變化規(guī)律,如圖6所示,結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度隨傾角的減小而增加,微納針形結(jié)構(gòu)形貌變化速率與傾斜角度成正相關(guān),不同傾角下所得結(jié)構(gòu)的實(shí)際長(zhǎng)度和理論長(zhǎng)度的對(duì)比圖,實(shí)驗(yàn)與理論預(yù)期高度一致。

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圖6 微納針形結(jié)構(gòu)加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

綜上,該研究基于TPP飛秒加工系統(tǒng)的單個(gè)體素,通過(guò)引入一維角度控制體素的空間位置,成功地在光刻膠中實(shí)現(xiàn)了一系列形貌連續(xù)漸變的微納針形結(jié)構(gòu)的加工。在該研究中,加工獲得的微納針形結(jié)構(gòu)頂端最小高度達(dá)到5nm,橫向最小線寬為195nm,在微納流體力學(xué)、微流控、生物大分子檢測(cè)、仿生核孔等研究方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

論文信息:
DOI:10.3788/gzxb20225110.1014001
來(lái)源:微流控