[发明专利]基于电子动态调控的二氧化钛表面周期结构加工方法

说明书

本发明涉及一种基于电子动态调控的二氧化钛表面周期结构加工方法，属于飞秒激光应用领域。本方法首先将飞秒激光的单脉冲在时域上调制为包含两个到三个子脉冲的飞秒激光脉冲序列，相邻子脉冲之间的能量比可调且时间间隔调节范围在0～1ps之间；然后将得到的飞秒激光脉冲序列通过透镜或透镜组聚焦到二氧化钛表面，通过控制入射到二氧化钛表面脉冲序列的个数并控制激光聚焦点和二氧化钛的相对运动，在二氧化钛表面形成亚波长的周期性微纳结构。本发明基于电子动态调控原理，实现了在二氧化钛表面简单可控地制备有序、均一的周期性微纳结构，为制备高效二氧化钛光催化剂提供了一种可能的方法。

技术领域

本发明涉及一种基于电子动态调控的二氧化钛表面周期结构加工方法，属于飞秒激光应用技术领域。

背景技术

二氧化钛因其丰富的资源储备、高稳定性、无毒性且低成本，成为目前最理想的光催化半导体材料之一。利用二氧化钛作为光催化剂，在光解污染物、光解水制氢、光催化二氧化碳制燃料、光催化有机物合成等领域都有广阔的应用前景。

上述将二氧化钛作为光催化剂的各项应用中，如何提高二氧化钛的光催化效率是一项急需解决的难题。目前主要通过水热合成法、共沉淀合成法等方法制备二氧化钛纳米颗粒，以提高二氧化钛光催化的比表面积，提高光催化效率。但是在无序的二氧化钛纳米颗粒中，电子的传输路径曲折复杂，无法定向传输，这极大的影响了二氧化钛的光催化效率。

针对此问题，制备单晶纳米线成为一个解决办法，虽然比表面积有一定的减小，但在纳米线轴向上电子传输几乎无障碍，使光催化效率有一定的提高。但是二氧化钛纳米线在宏观上仍为无序状态。有研究者通过水热法，以TiCl₄为钛源，以水和盐酸混合液为溶剂，经过短时高温处理得到了定向生长的二氧化钛纳米棒阵列，进一步提高二氧化钛纳米材料的有序性。但是此化学合成方法制备二氧化钛纳米阵列，存在合成条件复杂、合成过程可控性低、合成的纳米阵列有序性不高、结构不均一等缺点。

电子动态调控是将传统飞秒激光的单脉冲调制为脉冲序列，每个脉冲序列相当于作用在材料表面的强电磁场，通过调控上述电磁场的作用时间和强度实现材料表面的局部瞬时自由电子概率密度调控，进而改变材料表面局部瞬时光学性质，最终实现可控的表面周期结构加工。基于电子动态调控的飞秒激光表面微纳加工不仅可以提高加工的精度和质量，而且能实现周期结构的可控制备。

现有一种“基于电子动态调控的三维周期结构加工方法”(中国专利，申请号：201310706949.9)，其用于加工熔融石英等宽禁带的绝缘体材料，所采用的脉冲序列个数小于50时即可得到三种较好的周期性结构。但是由于禁带宽度差别较大导致飞秒激光与材料相互作用的作用机理不同，该方法无法用于二氧化钛等禁带较窄的半导体材料的加工。

发明内容

本发明的目的在于，为在二氧化钛表面简单可控地制备有序、均一的微纳结构，提出了一种基于电子动态调控的飞秒激光加工二氧化钛表面周期结构的方法。通过把传统的飞秒激光调制为飞秒激光脉冲序列，改变脉冲序列的参数，调控二氧化钛表面的局部瞬时自由电子概率密度，并在二氧化钛表面制备可控的、有序的周期性表面微纳结构，为制备高效二氧化钛光催化剂提供了一种可能的方法。

本发明的目的是通过以下技术来实现的：

步骤一，设计脉冲序列：将飞秒激光的单脉冲在时域上调制为包含两个到三个子脉冲的飞秒激光脉冲序列，相邻子脉冲之间的能量比可调且时间间隔调节范围在0～1ps之间；

步骤二，将步骤一所述飞秒激光脉冲序列通过透镜或透镜组聚焦到二氧化钛表面，通过控制入射到二氧化钛表面脉冲序列的个数N为100～1000，并控制激光聚焦点和二氧化钛的相对运动，在二氧化钛表面形成亚波长的周期性微纳结构。

进一步地，步骤一中，将飞秒激光的单脉冲在时域上调制为含有两个子脉冲的脉冲序列，相邻子脉冲之间的时间间隔调节范围在0～600fs之间。