武漢工程大學(xué)的研究人員綜述了飛秒激光制備表面微/納米結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用。相關(guān)論文以“Fabrication and applications of surface micro/nanostructures by femtosecond laser”為題發(fā)表在《Colloid and Interface Science Communications》上。

隨著加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，制造具有獨(dú)特表面微/納米結(jié)構(gòu)的材料成為研究的熱點(diǎn)之一。其中，飛秒激光加工作為一種高精度、高效率的制造技術(shù)已被廣泛采用。與其他傳統(tǒng)加工方法相比，飛秒激光加工在可控微/納米結(jié)構(gòu)加工方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，可制造出多種結(jié)構(gòu)，包括周期結(jié)構(gòu)、微孔陣列結(jié)構(gòu)、三維結(jié)構(gòu)、復(fù)合結(jié)構(gòu)等。它們具有光學(xué)防偽、防反射、超疏水性能和超親水性能等。本文綜述了飛秒激光加工材料的簡(jiǎn)化機(jī)理、飛秒激光制備的典型表面微/納米結(jié)構(gòu)以及飛秒激光制備表面微/納米結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用。證明了飛秒激光制造表面微/納米結(jié)構(gòu)的技術(shù)前景和應(yīng)用潛力。

重點(diǎn)：

1.介紹利用飛秒激光加工制備表面微/納米結(jié)構(gòu)的類型。

2.介紹飛秒激光制備表面微/納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

3.簡(jiǎn)述飛秒激光與材料相互作用的機(jī)理。

圖1.（a）飛秒激光加工鎳薄膜示意圖。不同激光通量、脈沖和掃描速度下的激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)(LIPSS)：（b）0.17J/cm²，513nm，0.3mm/s；（c）0.25J/cm²，1026 nm，0.5mm/s。(d)飛秒激光輻照Bi₂Te₃的SEM圖像，脈沖能量為3.5μJ至43μJ，脈沖數(shù)為100。

圖2.(a)飛秒激光燒蝕PDMS表面的SEM圖像。(b)飛秒激光輻照鋁表面的SEM圖像。(c)飛秒激光燒蝕電極材料制備的微孔陣列的SEM圖像（石墨烯-40的上下表面）。

圖3.(a)飛秒激光輻照鈦表面產(chǎn)生的柱狀陣列。通過(guò)（b）化學(xué)處理和（c）退火獲得的三維結(jié)構(gòu)。通過(guò)飛秒激光微加工和退火，在PMMA表面生成了三種三維圖案：(d)由矩形凹槽連接的兩個(gè)凹槽；(e)同心圓；(f)一端部分連接的周期性矩形凹槽。

圖4.(a)飛秒激光處理后PDMS表面的SEM圖像。(b)不同形狀的液態(tài)金屬圖案，如樹(shù)葉圖案、星形圖案和螺旋圖案。(c)通過(guò)飛秒激光燒蝕鈦表面獲得的方形矩陣圖案結(jié)構(gòu)的SEM圖像。

圖5.(a)飛秒激光誘導(dǎo)在鐵基金屬玻璃表面形成光柵孔結(jié)構(gòu)的SEM圖像。(b-c)飛秒激光誘導(dǎo)在鐵基金屬玻璃表面形成的光柵孔結(jié)構(gòu)的AFM圖像。(d)飛秒激光輻照PDMS制備的超疏水表面的SEM圖像。(e）通過(guò)飛秒激光去除部分PDMS并燒蝕硅表面而得到的超疏水-超親水混合表面的SEM圖像（黑色箭頭表示超親水，紅色箭頭表示超疏水）。(f）e的局部放大圖。

圖6.(a)從不同方位角（垂直和水平）拍攝的飛秒激光處理過(guò)的銅表面的照片和局部放大圖。 (b)變色龍的圖像。(c)變色龍皮膚的高倍放大圖像（與B中的圓圈部分相對(duì)應(yīng)）。(d)仿生變色龍皮膚的全色熒光圖像。

圖7.(a)飛秒激光加工AZO薄膜以形成可提高反射率的納米孔陣列示意圖。(b)原始AZO薄膜的透射率和相對(duì)透射率與波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系，以及飛秒激光加工后AZO薄膜的透射率和相對(duì)透射率。(c)飛秒激光誘導(dǎo)和熱氧化黃銅片示意圖。(d)飛秒激光誘導(dǎo)和熱氧化黃銅片表面的照片和相應(yīng)的SEM圖像。(e)用不同方法加工黃銅片后反射率的變化示意圖。

圖8.(a)利用飛秒激光在硫系玻璃As₂Se₃上制作微透鏡陣列的過(guò)程示意圖。(b)簡(jiǎn)化的紅外光學(xué)成像裝置。(c)利用飛秒激光輻照As₂Se₃制備的微透鏡陣列的光學(xué)顯微鏡圖像。(d)利用飛秒激光輻照As₂Se₃制備的微透鏡陣列的SEM圖像。(e)利用飛秒激光輻照As₂Se₃制備的微透鏡陣列的三維輪廓圖像。

圖9.(a)飛秒激光在PI薄膜上制備的超疏水和超親水表面示意圖。(b)飛秒激光制備MSR的示意圖和MSR的理論表面形貌。(c)MSR的工作原理示意圖，其中MSR可在磁場(chǎng)作用下進(jìn)行液滴轉(zhuǎn)移。

圖10.(a)實(shí)驗(yàn)裝置中的MDS示意圖。(b)傳統(tǒng)傳感器與超多孔基質(zhì)MDS的溶解氧信號(hào)對(duì)比。(c)未加工的泡沫銅和(d)激光處理過(guò)的泡沫銅的SEM圖像。

圖11.(a)柔性襯底上不同連接類型的集成石墨烯超級(jí)電容器(GNSC)示意圖。(b)GNSC在電壓掃描速率為 25 mV/s時(shí)的CV結(jié)果。(c)電流密度為0.5mA/cm²時(shí)GNSC的GCD結(jié)果。(d)CuO/Cu超級(jí)電容器的制備工藝示意圖。

飛秒激光表面微/納米結(jié)構(gòu)制備技術(shù)是一種利用飛秒激光的超快時(shí)間和高能量密度在材料表面制備微/納米級(jí)結(jié)構(gòu)的前沿制造技術(shù)。由于其精度高、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)，該技術(shù)在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。本文討論了微/納米結(jié)構(gòu)在日常生活中的應(yīng)用，包括防偽、防反射、透鏡陣列、超疏水/超親水、化學(xué)傳感和電容儲(chǔ)能等。盡管已有大量的科學(xué)研究和應(yīng)用，但利用飛秒激光加工制備微納結(jié)構(gòu)仍需要科學(xué)家對(duì)其未開(kāi)發(fā)區(qū)域進(jìn)行研究，例如，如何“疊加”利用飛秒激光制備的微/納結(jié)構(gòu)的功能特性?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，這項(xiàng)技術(shù)在未來(lái)幾年將得到更廣泛的應(yīng)用和推廣，并取得更大的突破，為各領(lǐng)域的創(chuàng)新和發(fā)展提供新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。