飞秒激光在熔石英表面制备微纳米周期结构的机理
发布时间：2021-10-10 14:12
本文以熔石英为例,主要研究飞秒激光在透明介电材料表面制备微纳米周期结构的物理过程。调节激光参数,飞秒激光在熔石英表面诱导出各种微纳米周期结构。首先,通过实验研究了激光的各项技术参数对熔石英表面周期性结构的影响规律。然后通过有限元分析的方法对飞秒激光烧蚀熔石英的物理过程做分析计算。最后利用仿真软件模拟了单脉冲辐照下熔石英的载流子-晶格温度演化、温度分布以及入射光和表面等离子体激元（surface plasmon polaritons,SPPs）干涉对波纹周期影响,并与实验数据做比较分析。本文的研究工作和成果如下:（1）研究了熔石英表面周期结构（laser-induced periodic surface structures,LIPSS）和实验环境、激光脉宽、激光能量密度、脉冲数量、扫描速度的关系。并设置K9玻璃作对照组探究介质材料禁带宽度的影响。结果显示:在固定脉冲数量下,LIPSS的周期随能量密度的增加而增加,熔石英从高频周期结构（high spatial frequency LIPSS,HSFL）过渡到低频周期结构（low spatial frequency LIPSS,LSFL）...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
荷叶的功能性结构
电子科技大学硕士学位论文2Y.A.Liang[2]等人用电子显微镜扫描了壁虎脚掌的微结构并进行观察，如1-2所示，壁虎的脚掌皮肤由众多刚毛组成，而每根刚毛的尖端又由更细微的绒毛组成，并在末端呈U形。这种特殊的微结构面对空气中的水分子膜时产生毛细作用，解释了壁虎的吸附机制。（a）（b）图1-1荷叶的功能性结构。（a）疏水性表面；（b）表面的微纳结构[1]（a）（b）图1-2壁虎的功能性结构。（a）强吸附性的脚掌；（b）脚掌的微纳结构[2]这些研究表明，生物拥有的各种特异功能，都源自于其表面微纳米结构在形状、尺寸和排布方式上的不同。科研人员根据这些特殊的微纳结构，制备出了各种神奇的仿生学材料。如图1-3所示，T.Kustandi，V.Samper[3]等人采用电感耦合等离子体刻蚀技术制备出了聚苯乙烯壁虎绒毛；W.L.Min，P.Jiang[4]等人利用光刻模板制备出自清洁防反光的蛾眼仿生结构。此外，集成电路、光波导和新能源等领域也高度依赖于微纳米结构的制备。L.S.Fan，W.Xiong等人[5]利用飞秒激光诱导化学气相沉积（LCVD）工艺在SiO2/Si基底上制备出石墨烯微纳光栅结构，为高效制造石墨烯电子器件提供了方法。我国郭光灿院士团队[6]采用飞秒激光微加工技术首次在掺铕硅酸钇晶体中刻蚀出光波导，研制出可集成的固态量子存储器。
第一章绪论3（a）（b）图1-3仿生学微纳结构。（a）离子体刻蚀技术制备的聚苯乙烯绒毛[3]；（b）用硅基模板制备的蛾眼结构[4]有关微纳结构的研究成果揭示了微观尺度下材料改性的物理机制和方法，如今微纳结构制备作为现代制造业的前沿科技，其重要性已不言而喻。微纳加工技术已在材料、信息、医学、军事等领域开辟了广阔的应用前景，并将在未来成为高端制造业发展指数的衡量标准之一。1.2.2微纳结构加工技术研究各种生物组织表面的微结构，继而通过人造加工技术复刻其功能，一直是科学界追求的目标和焦点课题。经过数十年来理论的发展和实验的验证，人们总结出一些实用有效的微纳结构加工方法[7]：光学刻蚀法、等离子体刻蚀法、气相沉积法、模板法、溶胶-凝胶法等。以下是简单介绍：（1）光学刻蚀法：利用电子束或激光光束烧蚀材料，加工尺寸在几十纳米到几十微米之间，该方法的优势在于精度高，其非接触式加工使得到的微纳结构形状更易控制。（2）等离子体刻蚀法：等离子刻蚀技术加工精度高，在集成电路等精密器件的制备工艺中起关键作用。该技术通过等离子体刻蚀靶材表面，该工艺的加工方式灵活多变，但对设备和供能要求很高，所以其发展前景有限。（3）气相沉积法：该方法将靶材置于充满各类物料的腔室内，基于气相发生的物理化学过程，在靶材表层诱导出微纳米级的薄膜结构，常用于功能性微纳涂层的制备。（4）模板法：将调配的溶液注入微纳米多孔模板内，然后经过压缩和烘干处理制备出批量的阵列结构；另外，也常用带有特定结构（如光栅）的模具，利用空间结构互补的原理经过两次倒模制备出该特定结构，一般用于特种结构的印刷。
【参考文献】：
期刊论文
[1]飞秒激光双光子聚合加工微纳结构[J]. 孙树峰,王萍萍. 红外与激光工程. 2018(12)
[2]电子动态调控的飞秒激光表面微纳结构可控制造新方法及其应用[J]. 史雪松,姜澜,李欣. 机械工程学报. 2018(04)
[3]飞秒激光烧蚀硅材料表面形成周期波纹形貌研究[J]. 李志明,王玺,聂劲松. 物理学报. 2017(10)
[4]COMSOL在激光辐照光场数值模拟中的应用[J]. 安良友志. 通讯世界. 2017(02)
[5]有限元网格剖分与网格质量判定指标[J]. 李海峰,吴冀川,刘建波,梁宇兵. 中国机械工程. 2012(03)
[6]飞秒激光双光子制造生物微器件微支架[J]. 狄建科,周明,杨海峰,孔俊杰,戴娟. 中国激光. 2009(01)
博士论文
[1]CO2激光辐照熔石英材料的热力学和动力学模拟[D]. 于景侠.电子科技大学 2015
本文编号：3428532
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
荷叶的功能性结构
电子科技大学硕士学位论文2Y.A.Liang[2]等人用电子显微镜扫描了壁虎脚掌的微结构并进行观察，如1-2所示，壁虎的脚掌皮肤由众多刚毛组成，而每根刚毛的尖端又由更细微的绒毛组成，并在末端呈U形。这种特殊的微结构面对空气中的水分子膜时产生毛细作用，解释了壁虎的吸附机制。（a）（b）图1-1荷叶的功能性结构。（a）疏水性表面；（b）表面的微纳结构[1]（a）（b）图1-2壁虎的功能性结构。（a）强吸附性的脚掌；（b）脚掌的微纳结构[2]这些研究表明，生物拥有的各种特异功能，都源自于其表面微纳米结构在形状、尺寸和排布方式上的不同。科研人员根据这些特殊的微纳结构，制备出了各种神奇的仿生学材料。如图1-3所示，T.Kustandi，V.Samper[3]等人采用电感耦合等离子体刻蚀技术制备出了聚苯乙烯壁虎绒毛；W.L.Min，P.Jiang[4]等人利用光刻模板制备出自清洁防反光的蛾眼仿生结构。此外，集成电路、光波导和新能源等领域也高度依赖于微纳米结构的制备。L.S.Fan，W.Xiong等人[5]利用飞秒激光诱导化学气相沉积（LCVD）工艺在SiO2/Si基底上制备出石墨烯微纳光栅结构，为高效制造石墨烯电子器件提供了方法。我国郭光灿院士团队[6]采用飞秒激光微加工技术首次在掺铕硅酸钇晶体中刻蚀出光波导，研制出可集成的固态量子存储器。
第一章绪论3（a）（b）图1-3仿生学微纳结构。（a）离子体刻蚀技术制备的聚苯乙烯绒毛[3]；（b）用硅基模板制备的蛾眼结构[4]有关微纳结构的研究成果揭示了微观尺度下材料改性的物理机制和方法，如今微纳结构制备作为现代制造业的前沿科技，其重要性已不言而喻。微纳加工技术已在材料、信息、医学、军事等领域开辟了广阔的应用前景，并将在未来成为高端制造业发展指数的衡量标准之一。1.2.2微纳结构加工技术研究各种生物组织表面的微结构，继而通过人造加工技术复刻其功能，一直是科学界追求的目标和焦点课题。经过数十年来理论的发展和实验的验证，人们总结出一些实用有效的微纳结构加工方法[7]：光学刻蚀法、等离子体刻蚀法、气相沉积法、模板法、溶胶-凝胶法等。以下是简单介绍：（1）光学刻蚀法：利用电子束或激光光束烧蚀材料，加工尺寸在几十纳米到几十微米之间，该方法的优势在于精度高，其非接触式加工使得到的微纳结构形状更易控制。（2）等离子体刻蚀法：等离子刻蚀技术加工精度高，在集成电路等精密器件的制备工艺中起关键作用。该技术通过等离子体刻蚀靶材表面，该工艺的加工方式灵活多变，但对设备和供能要求很高，所以其发展前景有限。（3）气相沉积法：该方法将靶材置于充满各类物料的腔室内，基于气相发生的物理化学过程，在靶材表层诱导出微纳米级的薄膜结构，常用于功能性微纳涂层的制备。（4）模板法：将调配的溶液注入微纳米多孔模板内，然后经过压缩和烘干处理制备出批量的阵列结构；另外，也常用带有特定结构（如光栅）的模具，利用空间结构互补的原理经过两次倒模制备出该特定结构，一般用于特种结构的印刷。
【参考文献】：
期刊论文
[1]飞秒激光双光子聚合加工微纳结构[J]. 孙树峰,王萍萍. 红外与激光工程. 2018(12)
[2]电子动态调控的飞秒激光表面微纳结构可控制造新方法及其应用[J]. 史雪松,姜澜,李欣. 机械工程学报. 2018(04)
[3]飞秒激光烧蚀硅材料表面形成周期波纹形貌研究[J]. 李志明,王玺,聂劲松. 物理学报. 2017(10)
[4]COMSOL在激光辐照光场数值模拟中的应用[J]. 安良友志. 通讯世界. 2017(02)
[5]有限元网格剖分与网格质量判定指标[J]. 李海峰,吴冀川,刘建波,梁宇兵. 中国机械工程. 2012(03)
[6]飞秒激光双光子制造生物微器件微支架[J]. 狄建科,周明,杨海峰,孔俊杰,戴娟. 中国激光. 2009(01)
博士论文
[1]CO2激光辐照熔石英材料的热力学和动力学模拟[D]. 于景侠.电子科技大学 2015
本文编号：3428532
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