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)的不斷進步，制造具有獨特表面微/納米結(jié)構(gòu)的材料成為研究的熱點之一。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，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化機理、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：
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.簡述飛秒激光與材料相互作用的機理。
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（b）化學(xué)處理和（c）退火獲得的三維結(jié)構(gòu)。通過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，如樹葉圖案、星形圖案和螺旋圖案。(c)通過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透射率與波長的函數(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程示意圖。(b)簡化的紅外光學(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可在磁場作用下進行液滴轉(zhuǎn)移。
圖10.(a)實驗裝置中的MDS示意圖。(b)傳統(tǒng)傳感器與超多孔基質(zhì)MDS的溶解氧信號對比。(c)未加工的泡沫銅和(d)激光處理過的泡沫銅的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電容器(GNSC)示意圖。(b)GNSC在電壓掃描速率為 25 mV/s時的CV結(jié)果。(c)電流密度為0.5mA/cm2時GNSC的GCD結(jié)果。(d)CuO/Cu超級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間和高能量密度在材料表面制備微/納米級結(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，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)家對其未開發(fā)區(qū)域進行研究，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。可以預(yù)見，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，這項技術(shù)在未來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)展提供新的機遇和挑戰(zhàn)。
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