1268.飛秒激光固體材料表面微納結(jié)構(gòu)制備及其功能特性的研究

1、分類號：Q壘三ZUDC：530飛秒激光固體材料表面微納結(jié)構(gòu)制備及其功能特性的研究lFabricationandPropertiesResearchesofFemtosecondLaserInducedMicro／NanoStructuresonSolidSurface學位授予單位及代碼：籃查堡王太堂(!Q!墨魚2學科專業(yè)名稱及代碼：左堂(QZQ2QZ2論文起止時間：2QQ91窆=20143摘要在自然界生物表面各種功能微納結(jié)構(gòu)的啟示下，人

2、們通過應用飛秒激光在金屬、半導體等表面制備出功能微納結(jié)構(gòu)，從而成功地改善材料的表面性能。固體表面新功能的實現(xiàn)及其技術(shù)的發(fā)展可以有效地為人類的生產(chǎn)和生活服務。例如，這些功能微納結(jié)構(gòu)可以進行材料表面的光學、潤濕等性能的調(diào)控。固體表面功能性微納結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)對實現(xiàn)高效太陽能的利用、金屬表面潤滑的改善及防腐自清潔、吸波材料等諸多領(lǐng)域的應用有著深遠的意義。為了進一步加深對飛秒激光制備固體表面功能結(jié)構(gòu)及其功能特性的理解，本文對該領(lǐng)域中所涉及的熱點和

3、關(guān)鍵物理問題開展了相應的研究。主要內(nèi)容包括：開展了飛秒激光誘導金屬表面亞波長周期性條紋結(jié)構(gòu)、飛秒激光誘導硅表面微納結(jié)構(gòu)及其光學特性以及飛秒激光金屬表面著色技術(shù)等方面的研究。進一步，利用飛秒激光制備出寬光波段高吸收“黑金屬”，并對其吸光機理進行了分析和數(shù)值模擬，開展了利用飛秒激光在材料表面制備微納結(jié)構(gòu)的方法調(diào)控金屬、硅材料的潤濕性能，以及其多功能(同時具有寬帶高吸光性及潤濕性)特性集成的表面結(jié)構(gòu)制備研究。最后，利用飛秒激光等離子體細絲進行

4、在非平表面上制備功能微納結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究。論文首先針對飛秒激光誘導金屬表面亞波長周期性條紋結(jié)構(gòu)進行了實驗研究，并通過麥克斯韋力口內(nèi)特理論和雙溫方程進行了亞波長周期性條紋結(jié)構(gòu)形成的數(shù)值模擬，理論結(jié)果與實驗結(jié)果符合的較好。隨后開展了硅表面微納結(jié)構(gòu)的制備及其光學特性，研究了不同實驗條件(氣體環(huán)境、激光脈沖寬度、能量密度等)對硅表面微米尺度尖峰結(jié)構(gòu)的影響，并對尖峰的構(gòu)造機理和光吸收特性進行了分析和解釋。通過進一步的實驗探索，實現(xiàn)了大氣環(huán)境下新型微

5、米孔表面結(jié)構(gòu)黑硅的制備，測試結(jié)果表明其對O351lgn波段的光有著良好的減反性能。在飛秒激光金屬表面著色技術(shù)研究方面，通過控制實驗條件(激光能量密度，掃描速度，掃描間距等)在鋁樣品上實現(xiàn)了各種顏色表面結(jié)構(gòu)的制備，成功地獲得了自然光照射條件下呈現(xiàn)白、金、棕、灰、黑等顏色的金屬表面微納結(jié)構(gòu)，并對其成色機理進行了分析和解釋。論文對黑色的金屬表面結(jié)構(gòu)進行了細致的研究，通過控制實驗參數(shù)，在多種金屬(鋁、鈦、鎳和鉬)表面制備了三種典型的、使金屬表面

6、呈現(xiàn)黑色的微納結(jié)構(gòu)(黑金屬)：1)納米結(jié)構(gòu)覆蓋的微米光柵溝槽結(jié)構(gòu)；2)納米結(jié)構(gòu)覆蓋的微米柱形結(jié)構(gòu)；3)類球型亞微米結(jié)構(gòu)。測試結(jié)果表明具有這三種典型微納結(jié)構(gòu)的黑金屬從紫外到紅外波段(0225岬)的反射率小于10％，在有些波段處其光學反射率甚至低于1％。借助于典型納米結(jié)構(gòu)(光柵結(jié)構(gòu)、半球、四面體等)模型，通過時域有限差分法(FDTD)對其光吸收特性進行數(shù)值模擬，研究了結(jié)構(gòu)周期、間距、陣列排列狀態(tài)等條件對光吸收特性的影響，特別針對目前還沒有清