清華大學在激光微納制造研究取得進展，相關研究成果以“Laser Induced Coffee-Ring Structure through Solid-Liquid Transition for Color Printing”為題發表在國際學術期刊《Small》(2023, 19, 2205696)，并被選為期刊封面文章 (front cover)。
清華大學博士生謝家旺為本論文第一作者，閆劍鋒副教授為通訊作者，該研究工作得到了國家自然科學基金等項目的支持。
圖1：激光微納加工的“咖啡圈”以及圖案化彩色打印應用
日常生活中，當咖啡滴在桌上，由于物質遷移過程中的“咖啡環效應”，揮發后可形成一個環狀“咖啡圈”。本研究用超快激光微納加工技術結合瞬態固液轉變控制，實現了在固體基體超快激光加工出具有微米尺度的“咖啡圈”。利用這種方法在金屬銅、鋁等金屬以及半導體等基體上，可進行更大面積（2英寸以上）的精密圖案化激光加工，并實現圖案化彩色打印應用，該技術在機械、光學、信息等領域具有應用潛力。
圖2： 激光微納加工的固液轉變控制示意圖。
圖3：固液轉變控制制備的咖啡環結構。
圖4：激光照射下的固液轉變過程中的微觀結構響應。
圖5：基于咖啡環結構圖案化彩色打印應用。
綜上所述，清華大學研究人員提出了一種新的超快激光微納加工技術結合瞬態固液轉變策略，在金屬表面制備獨特的咖啡環結構。通過利用初始脈沖激勵調制金屬從固相到液相的瞬態，隨后的超快脈沖誘導反沖壓力可以抑制等離子體發射，從而實現咖啡環結構的可控制造。通過泵-探針實驗和TTM-MD模擬揭示了咖啡環結構的形成機理。在較短的入射延遲時間(≈1 ~ 10ps)，即晶格加熱到液態的短時間內，第二脈沖照射在固體材料上，形成圓形燒蝕坑。在延遲時間≈10-50 ps時，初始脈沖將晶格加熱至熔化溫度，第二次脈沖照射到液體材料上。第二個脈沖在液體材料中誘導了反沖壓力，抑制了熔化材料的去除，致使咖啡環結構的形成。在較大的入射延遲時間(約50 ~ 200 ps)下，圓形燒蝕坑外圍熔融物質凝固。當第二次脈沖照射到再凝固的材料上時，咖啡環的外圍形成了穗狀結構。此外，制備了各種不同結構顏色的圖案，實現圖案化彩色打印應用。基于對光-材料相互作用的新探索，他們的研究提供了一種新的微納加工制造技術。
論文鏈接： (Small,2023, 19, 2205696)
https://doi.org/10.1002/smll.202370032
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