[发明专利]利用两步法制备表面微纳图形的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用两步法制备表面微纳图形的方法，属于激光表面加工技术领域。

背景技术

材料的表面性如摩擦、磨损、润滑以及粘着等，主要取决于材料的表面性质，而材料表面的几何结构则是影响材料表面性质的重要因素之一。材料表面几何结构的制备及其性能研究是近年来表面技术的研究热点。通过在材料表面制备特殊的几何图形(表面织构)，可以获得所需的表面性质，相关的技术具有广阔的应用前景。根据应用背景的不同，表面织构的特征尺寸通常在毫米量级至微米量级，近些年来随着微纳技术的发展及对于微纳器件和结构的需求，特征尺寸在亚微米和纳米量级的表面微观几何结构成为了这一领域内的研究重点。

获得表面几何图形的方法有很多种，包括机械加工、电加工、超声加工、激光加工等，其中激光加工由于其较高的能量密度、良好的单色性及准直性、非接触加工且适用于任何固体材料的优点，因而具有特别的优势，被广泛应用于表面工程领域。利用激光加工毫米量级至微米量级特征尺寸织构的加工方法比较成熟，通常利用聚焦透镜对激光进行直接聚焦，按照预先设定的图形或路线进行照射即可获得。但由于激光自身的光学效应，导致激光加工的分辨率不能无限降低，传统的激光加工方法所获得的分辨率很难突破所选波长衍射极限的限制。因此，在获得亚微米至纳米级别的表面织构方面，仍需要特殊的方法和技术。例如：Lo和Wang等人利用488nm的氩离子激光器基于近场光学的原理运用近场扫描光刻的方法实现了宽度128nm的沟槽加工(Near-Field photolithography by a fiber probe.Proceedings of the 2001 1st IEEE Conference on Nanotechnology,2001,36-39)，但利用近场光学原理进行表面加工在实用化方面受到很大限制。Lu用石英玻璃微球作为聚焦系统进行激光微纳加工，加工形貌的特征尺寸可达220-700nm(Laser Material Processing and Characterization at Micro/Nano-scales.Advanced Program on 8^th China National Conference on Laser Material Processing-CNCLMP,2006)，但微球主要用于点状结构的加工，且在微球按指定位置铺展等方面存在不便。邵天敏等人基于导光纤维聚焦的方法利用波长1.06μm、脉宽10ns的脉冲激光在材料表面制备宽度3.74μm的沟槽(基于导光纤维聚焦的材料表面激光微加工方法及装置：中国，200810008077.8[P].2008-03-07)，导光纤维聚焦加工方法简单且有很高的加工效率，在单个脉冲的作用下即可获得长宽比大于1000：1的沟槽。导光纤维聚焦方法虽然可以获得近场效应的作用结果，但由于微细光纤在表面近场区域内放置的难度较大，且制备的表面图形多为直线型，难以实现复杂图形的制备。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用“两步法”制备表面微纳图形的方法，本发明利用激光多光子聚合加工制备聚焦元件，并应用所制备的聚焦元件对激光进行聚焦从而在待加工材料表面获得表面微纳图形；本发明为一种高效可控的表面亚微米至纳米级表面图形的制备方法。

本发明所提供的利用两步法制备表面微纳图形的方法，包括如下步骤：

(1)在待加工材料表面的加工区域涂覆光敏聚合材料；

(2)根据在待加工材料表面制备的微纳图形设计聚焦元件的形状，利用飞秒激光多光子聚合加工装置对所述光敏聚合材料进行多光子聚合加工，即在待加工材料表面的加工区域得到所述聚焦元件；

所述飞秒激光多光子聚合加工装置包括飞秒激光器；

(3)利用表面微纳图形的激光加工装置对所述聚焦元件进行激光照射，即在待加工材料表面得到微纳图形；

所述表面微纳图形的激光加工装置包括脉冲激光器。

上述的方法中，步骤(1)中，所述光敏聚合材料可为光敏聚合物、有机陶瓷或半导体材料；

所述光敏聚合物具体可为光刻胶、聚二甲基硅氧烷；所述光刻胶可选择代号可为IP-L的负性光刻胶，具体购自德国Nanoscribe公司；

所述有机陶瓷具体可为有机修饰陶瓷，具体购自德国Nanoscribe公司；

所述半导体具体可为硫系玻璃，如硫化砷玻璃。

上述的方法中，步骤(2)中，以球体或圆柱体为加工基本单位形成所述聚焦元件；