功能金属微纳结构的激光制备与应用研究

发布时间：2018-07-13 15:28

【摘要】：近些年,有关金属微纳结构的相关研究发展非常迅速,这是由于其在光学、电学、以及化学传感等领域具有极其重要的应用前景。基于金属材料的光子晶体、超材料、以及等离子体器件等结构具有独特的优势,能够实现诸多有意义的电磁现象,比如可调节的热辐射,负的折射率和深亚波长的光限制等。本论文的工作主要是利用激光技术加工二维乃至三维的金属微纳结构,进而对它们的应用进行研究。首先针对金属离子双光子吸收截面测量困难的问题提出了基于质量沉降思想的测量方法;其次利用飞秒激光双光子加工技术制备了银钯合金纳米结构,并且探讨该结构作为抗氧化拉曼衬底在拉曼检测方面的应用;此外还研究了飞秒激光成丝技术中的强场在合成金属纳米粒子方面的应用;最后针对三维金属微结构制备困难的问题,利用飞秒激光加工模板结构进行微电铸的工艺成功制备了三维的金属微器件。主要成果具体如下:(1)首次提出了基于质量沉降的方法来测量溶液中金属离子双光子吸收截面。飞秒激光双光子吸收诱导溶液中金属离子还原这一技术对加工金属微纳结构具有重要作用。然而,金属离子的双光子吸收截面测量因为技术上的难题一直悬而未决。在我们的研究工作中,利用金属离子光照还原沉积这一性质,首次提出了双光子诱导质量沉降的方法来解决这个问题,完成了对银离子和钯离子的测量,得到银离子和钯离子在800 nm处的双光子吸收截面大约为(9.97?0.79)?10-2GM和(1.69?0.31)GM。实验中还考察了金属离子沉积量随激发光强的平方依赖关系,这一现象也证实了金属离子在800 nm飞秒脉冲激光还原过程中是一个双光子吸收过程。最后也对该测量方法的准确度、灵敏度、适用范围以及使用时需要注意的光强问题进行了分析讨论。(2)利用飞秒激光双光子诱导银钯共沉积技术,实现了一步制备银钯合金纳米结构,并将该结构用作稳定抗氧化的表面增强拉曼检测(SERS)衬底。众所周知,银纳米结构由于具有较大的拉曼增强能力,被人们广泛用于SERS研究。然而,纯银的纳米结构放置于空气中时很不稳定容易被氧化,使得随着空ii气中暴露时间的增加会导致sers信号有显著的减弱,因而不利于作为一个长期使用的sers衬底。在我们的研究中,尝试了利用飞秒激光诱导银离子和钯离子共还原沉积的方法来一步制备银钯合金纳米结构,实验证实能够有效地增强银的抗氧化能力,从而可以用作一个稳定的sers衬底。并且发现含钯量大约为18%的合金纳米结构在没有明显牺牲拉曼增强能力的前提下保持了较好的抗氧化稳定性,置于空气中存放能够稳定达20天左右,相比于纯银的拉曼衬底仅有的三到四天使用寿命而言稳定性得到了较大提升。(3)利用飞秒激光成丝技术产生的强场辅助金属纳米粒子快速合成。镍磷合金纳米粒子具有较好的电学、磁学和光学性质,并且在加氢脱硫、加氢脱氮、析氢反应等方面具有较好的催化效果,也可以用于磁存储和锂电池电极材料等。然而,目前一些合成镍磷合金纳米粒子的方法过程比较复杂耗时较长,而且关于粒径可控的镍磷合金纳米粒子的合成报道并不多。本文工作采用了飞秒激光成丝的方法在硫酸镍和次磷酸钠的溶液中辐照,通过调节反应物浓度、反应物相对摩尔比、激光功率以及辐照时间等实验条件,得到了平均尺寸从35nm到120nm可调的镍磷合金纳米粒子,并且发现这种方法合成的粒子是非晶态,这种非晶态的镍磷纳米粒子在析氢反应等一系列化学反应中具有极好的催化能力。随后尝试了在溶液中添加表面活性剂pvp(聚乙烯吡咯烷酮),发现对提高粒径的均一性具有显著效果。最后对整个反应过程中的机制进行了解释,认为镍磷合金粒子的合成归因于强场导致的次磷酸钠中p-h化学键的断裂释放出的强还原性的初生态原子氢。利用这种强场辐照的方法可能会有助于其他化学反应的推进,有望成为纳米材料合成的有效方法。(4)利用飞秒激光加工模板结构进行微电铸来制备三维金属微结构,成功制作了可用于射频集成电路的三维螺线管微电感。由于二维金属结构应用的局限性,目前越来越多的人开始研究和设计三维的金属微纳结构,因为它们在包括微机电系统(mems),等离子体,超材料,以及生物传感等领域具有极大的应用前景。然而到目前为止,制备真三维金属微纳结构一直是一个技术难题,因为传统的光刻技术,包括层层组装结构化的金属结构,都仅仅只能实现有限几层的堆叠,或者是只能实现高纵深比的二维结构。本文研究了利用飞秒激光制备聚合物模板然后通过微电铸往模板结构中填充金属的方法来获得金属三维微结构的技术,由于飞秒激光微纳加工的真三维加工能力,所以这种工艺能够解决三维金属结构制备困难的问题。我们采用这种方法,成功制备了三维螺线管微电感,能够有助于集成电路片上集成功能化器件的发展。
[Abstract]:In recent years , the related research and development of metal micro - nano structures has been very rapid , because it has a very important application prospect in the fields of optics , electricity and chemical sensing . In this paper , a method for preparing three - dimensional metal micro - structure has been successfully fabricated by using femtosecond laser processing template structure to prepare three - dimensional metal micro - structure .
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG665

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