飛秒激光直寫技術作為一種先進的微納加工技術。因其精度高、綠色高效和可選擇材料廣泛等優點被廣泛應用與各種微納加工領域。而壓電薄膜表面微工程化在是提升薄膜壓電性能的重要手段之一。目前，薄膜表面微工程化通常使用掩模法和納米壓印法，但這兩種方法存在效率低、精度低、成本高和難以加工無機脆性材料等缺點。
鑒于此，浙江工業大學激光先進制造研究院姚建華教授團隊范麗莎教授提出一種單步、無掩模、非破壞性的飛秒激光直接寫入路線實現了PZT薄膜的幾何微工程。以每秒3.0×105的生產率制造了包括納米凸起、納米火山和納米洞穴在內的各種納米結構陣列。納米凸起是由PZT薄膜從硅基底局部膨脹形成，由快速激光加熱產生的累積壓縮應力驅動。當超過PZT的消融閾值時，納米凸起演變為納米火山，直到產生消融納米洞穴。通過調整激光能量和聚焦水平，可以精細調節納米凸起和納米洞穴的特征尺寸。對帶有納米凸起、納米火山和納米洞穴的PZT薄膜的壓電性能進行了比較研究。與平坦PZT薄膜相比，帶有450納米高凸起的PZT薄膜在壓電響應上實現了近30%的增強。理論模擬顯示，與平坦薄膜相比，在相同的外部壓力下，空心凸起的應變顯著放大，這可以直接轉化為提高的輸出電壓。
使用激光共聚焦顯微鏡和原子力顯微鏡(AFM)對整個表面形貌進行表征。如圖1b所示，通過調整激光掃描速度，使其單個脈沖被分離，在薄膜表面形成排列整齊、分布均勻的微結構。圖1c的AFM圖像顯示，隨著激光能量密度的提高，納米鼓包逐漸變高，達到一定閾值后從中間開始破裂，形成火山口形貌，繼續增大能量密度后完全燒蝕形成凹槽。
對比了各種表面微結構PZT薄膜的壓電性能，結果如圖2所示，帶有450納米高凸起的PZT薄膜顯示出最高的壓電響應。其原因是納米鼓包的空心突出幾何形狀使得PZT薄膜中的應力分布集中。當施加外部壓力時，應力集中在納米凸起的頂部，引起它們內部更顯著的幾何應變。圖2h中所示的模擬結果支持了這一結論。薄膜厚度設置相同，并施加了5千帕的壓力。在納米凸起頂部發現最大應變為10-6，而應變在平坦薄膜和帶有納米洞穴圖案的薄膜中均勻分布，為10-8，比帶有納米凸起圖案的薄膜低兩個數量級。納米凸起的形成增強了PZT薄膜的機械變形，導致電-機械能量轉換的改善和輸出電壓的增加。
△ 表面微結構表征圖
△ 不同表面微結構輸出對比和應變仿真結果圖
使用壓電原子力顯微鏡測試了具有鼓包微結構的薄膜和平面薄膜的電滯回線，并對鼓包頂部進行了疇寫入。結果如圖3所示，在相同偏置電壓下鼓包頂部的形變量達到500pm，大于薄膜350pm，并且成功對鼓包頂部區域進行了疇寫入。最后，將具有450納米鼓包微結構PZT薄膜和平面PZT薄膜封裝，將其制成雨量檢測傳感器，對比了兩種薄膜的雨量檢測性能。如圖4所示，在降雨監測測試中，帶有450納米高凸起的PZT薄膜對下落雨滴的響應高于平坦PZT薄膜，預示著飛秒激光幾何工程在先進壓電傳感應用開發中的潛力。
相關研究成果以“Femtosecond-laser-enabled geometric micro-engineering of PZT films for boosted piezoelectric response and rainfall monitoring demonstration”為題發表在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。浙江工業大學為第一單位，我院范麗莎教授為第一作者，姚建華教授和吳化平教授為通訊作者。
△ PFM圖像
△ 雨量監測結果對比圖
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