一種基于懸濁液靶材的微細(xì)結(jié)構(gòu)激光誘導(dǎo)植入方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及表面微細(xì)結(jié)構(gòu)加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于懸濁液靶材的微細(xì)結(jié)構(gòu)激光誘導(dǎo)植入方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]表面功能化技術(shù)長(zhǎng)久以來(lái)一直是科學(xué)研究的重要方向，在工程領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用越來(lái)越普遍。近年來(lái)微納米技術(shù)的發(fā)展，為表面功能化研究注入了新的活力，并隨之展現(xiàn)出更為廣闊的應(yīng)用前景。通過改變物體表面的微觀物理化學(xué)構(gòu)成，或者在表面加工出一定的微細(xì)結(jié)構(gòu)，可以改善工作面的機(jī)械、腐蝕、光電子、摩擦磨損以及流體力學(xué)等特性，從而提高器件的工作性能和效率。
[0003]微電路是指具有高密度等效電路元件和(或)部件，并可作為獨(dú)立件的微電子器件。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級(jí)，是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)，主要由傳感器、作動(dòng)器(執(zhí)行器)和微能源三大部分組成，具有微型化、智能化、多功能、高集成度和適于大批量生產(chǎn)這幾個(gè)特點(diǎn)。在電子、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、汽車和航空航天系統(tǒng)方面有著廣泛的應(yīng)用前景。微流控系統(tǒng)，又稱微流控分析芯片、微全分析系統(tǒng)(yTAS)或芯片實(shí)驗(yàn)室，利用微細(xì)加工技術(shù)將微通道、微栗、微閥、微反應(yīng)器、微傳感器、微檢測(cè)器等各種功能單元集成在一塊微芯片上，通過控制溶液在其中的流動(dòng)，來(lái)完成生物和化學(xué)等領(lǐng)域所涉及的樣品制備、混合、反應(yīng)、分離、檢測(cè)、生化分析等功能的微型分析系統(tǒng)。在生物分析、微量化學(xué)分析與檢測(cè)，微電子設(shè)備冷卻，微小衛(wèi)星儀態(tài)調(diào)整，便攜式燃料電池等領(lǐng)域均展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。
[0004]連續(xù)微結(jié)構(gòu)、特別是連續(xù)金屬微結(jié)構(gòu)，在微電路、微細(xì)電子元器件、微流控和微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用意義，近年來(lái)人們?cè)絹?lái)越關(guān)注激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移制備金屬連續(xù)微結(jié)構(gòu)的方法。Jacob(James A.Grant-Jacob, Benjamin Mills, Matthias Feinaeugleet al.Micron—scale copper wires printed using femtosecond laser-1nducedforward transfer with automated donor replenishment.0ptical Materials Express,2013，3(6): 747-754.)等提出了一種“自動(dòng)靶材補(bǔ)給技術(shù)”，結(jié)合“激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移技術(shù)”制備連續(xù)金屬微線。在激光脈沖熔融并拋出靶材微團(tuán)的同時(shí)，不斷移動(dòng)靶材，使后續(xù)激光脈沖輻照于新的靶材區(qū)域上，并使后續(xù)拋出的微團(tuán)不斷堆疊沉積，形成連續(xù)微線，如圖1所示，他們利用這種方法成功在硅基片上制備了數(shù)十微米寬、長(zhǎng)達(dá)數(shù)毫米的微銅線。
[0005]“液態(tài)靶材向前轉(zhuǎn)移技術(shù)”在透明約束層上涂覆數(shù)十微米的液態(tài)靶材層，如顆粒懸濁液、高分子溶液、膠體和生物流體等，為了吸收激光能量，液態(tài)靶材之上往往需要制備吸收層(犧牲層)(如圖2 (a))，或者在靶材內(nèi)添加光能吸收材料，以吸收激光能量，提供拋出靶材所需的推動(dòng)力。采用犧牲層的另一個(gè)好處是，可以保護(hù)液態(tài)靶材，減少激光的熱作用影響。Florian (C.Floriana, F.Caballero-Lucasa, J.M.Fernandez-Pradasa etal.Conductive silver ink printing through the laser-1nduced forwardtransfertechnique.Applied Surface Science, 2015，in press.)等研究了銀墨水的激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移，用以在基片上沉積微細(xì)導(dǎo)線，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過液滴重復(fù)堆疊所獲得的連續(xù)微線，相比固體靶材沉積得到的微線，其均勻性更好，微觀形貌也更為光滑(圖2 (b))。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)的“自動(dòng)靶材補(bǔ)給技術(shù)”將激光直接照射在固態(tài)的靶材上，利用激光能量將靶材熔融、拋出、植入至基材上，“自動(dòng)靶材補(bǔ)給技術(shù)”制備的微線的均勻性和形貌尚待改善，且存在瓶頸和飛濺等缺陷。由于靶材極薄(約數(shù)微米)、靶材與基片間空隙極小(約數(shù)十微米)，利用激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移堆疊沉積連續(xù)微結(jié)構(gòu)存在很大的控制難度。而且轉(zhuǎn)移過程中靶材會(huì)被激光熔融甚至汽化，很難避免飛濺等問題，導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)的均勻性與形貌質(zhì)量均存在較大不足?，F(xiàn)有技術(shù)的“液態(tài)靶材向前轉(zhuǎn)移技術(shù)”在透明約束層上涂覆數(shù)十微米的液態(tài)靶材層，利用激光能量將靶材植入基材，“液態(tài)靶材向前轉(zhuǎn)移技術(shù)”由于液態(tài)靶材層仍然較薄(約數(shù)十微米)，極易消耗，為獲得質(zhì)量良好的連續(xù)微結(jié)構(gòu)，激光參數(shù)的選擇和靶材運(yùn)動(dòng)的控制，依然比較困難。此外，液體干燥后，殘留固形物的連續(xù)性、均勻性，及其與基片之間的結(jié)合強(qiáng)度，均難以保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提出一種采用含有微細(xì)顆粒的任意深度的懸濁液，源源不斷補(bǔ)充植入靶材，以提高連續(xù)制備微細(xì)結(jié)構(gòu)效率的基于懸濁液靶材的微細(xì)結(jié)構(gòu)激光誘導(dǎo)植入方法。
[0008]本發(fā)明還提出了一種實(shí)施基于懸濁液靶材的微細(xì)結(jié)構(gòu)激光誘導(dǎo)植入方法的裝置。
[0009]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實(shí)施例提供的基于懸濁液靶材的微細(xì)結(jié)構(gòu)激光誘導(dǎo)植入方法，包括以下步驟:
51:將基材置于玻璃器皿內(nèi)的含有微細(xì)顆粒的懸濁液中；
52:激光器產(chǎn)生高能脈沖激光；
S3:激光經(jīng)過光路系統(tǒng)中的反射鏡由凸透鏡進(jìn)行聚焦至基材需要植入微細(xì)顆粒的位置；
S4:當(dāng)聚焦的激光能量大于液體的擊穿閾值時(shí)，激光擊穿懸濁液，產(chǎn)生等離子體膨脹輻射出等離子體沖擊波；
55:等離子體消失后誘導(dǎo)產(chǎn)生的空化泡潰滅時(shí)能對(duì)外輻射出沖擊波；
56:空化泡與基材表面相互作用產(chǎn)生高速微射流；
57:產(chǎn)生的沖擊波及高速微射流推動(dòng)微細(xì)顆粒沖擊植入基材。
[0010]優(yōu)選地，在步驟SI中，所述玻璃器皿放置于三維微細(xì)工作平臺(tái)，三維微細(xì)工作平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)由計(jì)算機(jī)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)精確控制，三維微細(xì)工作平臺(tái)的垂直方向的運(yùn)動(dòng)可調(diào)整基材與激光焦點(diǎn)之間的距離，三維微細(xì)工作平臺(tái)做水平方向的二維運(yùn)動(dòng)，以掃描的方式，在基材上植入所需的微細(xì)結(jié)構(gòu)。
[0011]為了解決上述技術(shù)問題，實(shí)施本發(fā)明的基于懸濁液靶材的微細(xì)結(jié)構(gòu)激光誘導(dǎo)植入方法的裝置包括激光射入系統(tǒng)、玻璃器皿、三維微細(xì)工作平臺(tái)、計(jì)算機(jī)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，所述激光射入系統(tǒng)包括激光器、反射鏡和凸透鏡，所述玻璃器皿內(nèi)設(shè)有含有微細(xì)顆粒的懸濁液和基材，基材位于玻璃器皿的底部，激光器產(chǎn)生的高能脈沖激光經(jīng)過激光射入系統(tǒng)中的反射鏡由凸透鏡進(jìn)行聚焦至基材需要植入微細(xì)顆粒的位置；所述三維微細(xì)工作平臺(tái)在計(jì)算機(jī)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制下作垂直和水平方向的運(yùn)動(dòng)。
[0012]本發(fā)明實(shí)施例提供的基于懸濁液靶材的微細(xì)結(jié)構(gòu)激光誘導(dǎo)植入方法，具有如下有益效果:
本發(fā)明實(shí)施例提供的基于懸濁液靶材的微細(xì)結(jié)構(gòu)激光誘導(dǎo)植入方法和裝置中，激光能量不是直接作用于植入靶材上，不會(huì)破壞靶材，采用含有微細(xì)顆粒的任意深度的懸濁液，源源不斷補(bǔ)充植入靶材，以提高連續(xù)制備微細(xì)結(jié)構(gòu)的效率；本發(fā)明使用含有微細(xì)顆粒的懸濁液源源不斷地提供植入靶材，聚焦激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的沖擊波及高速微射流體將懸濁液內(nèi)的靶材推動(dòng)植入基材，更加適合大規(guī)模的連續(xù)微結(jié)構(gòu)的制造，本發(fā)明能夠在基材表面制備出具有不同材質(zhì)或不同相的微細(xì)結(jié)構(gòu)層，進(jìn)一步改善基材的表面性能，提高連續(xù)制備微細(xì)結(jié)構(gòu)的效率；可以反復(fù)連續(xù)植入，無(wú)需犧牲層，能夠制備較大規(guī)模的連續(xù)、