激光光致熱塑成型效應(yīng)及三維微結(jié)構(gòu)制備新方法研究.pdf

1、微納米技術(shù)代表著未來(lái)科技的發(fā)展趨勢(shì)，被越來(lái)越多的國(guó)家列為優(yōu)先發(fā)展的前沿領(lǐng)域。微納結(jié)構(gòu)與器件制備技術(shù)是微納米技術(shù)的重要基礎(chǔ)，而激光微加工技術(shù)是這類制備技術(shù)的一個(gè)重要分支。光刻、準(zhǔn)分子激光微加工及飛秒激光加工等現(xiàn)有的激光微加工技術(shù)，其共同的特點(diǎn)是基于激光對(duì)材料表面的刻蝕實(shí)現(xiàn)凹進(jìn)的微納結(jié)構(gòu)加工。為了直接實(shí)現(xiàn)凸起的微結(jié)構(gòu)制備，本文首次提出了一種基于激光光致熱塑成型的微結(jié)構(gòu)制備新方法，可實(shí)現(xiàn)各種形式及尺寸的點(diǎn)、線、面、體等微結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)制備。該方法

2、具有原理新穎、系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、操作方便、無(wú)需掩模、可進(jìn)行實(shí)時(shí)制備等特點(diǎn)，不僅具有重要的科學(xué)意義，而且在微納米技術(shù)等領(lǐng)域具有廣闊的實(shí)際應(yīng)用前景。
　　 本課題首先對(duì)激光光致熱塑成型機(jī)制進(jìn)行了完整系統(tǒng)的理論研究，揭示了三維微結(jié)構(gòu)熱塑成型的動(dòng)態(tài)平衡條件及規(guī)律。分析了激光照射在基底材料表面所引起的光熱效應(yīng)，建立了表面溫度升高分布的二維數(shù)值模型；討論在此溫度分布情況下的物質(zhì)相變過(guò)程，與環(huán)境界面的表面張力方向以及熔體內(nèi)部環(huán)流的形成，進(jìn)而導(dǎo)致基底材

3、料表面的微結(jié)構(gòu)光致熱塑成型。進(jìn)一步研究了熱塑成型過(guò)程中的熔體內(nèi)部環(huán)流變化規(guī)律，揭示了熔體環(huán)流的熔化上升速度與冷卻凝固速度的相互關(guān)系；建立光致熱塑成型過(guò)程的動(dòng)態(tài)平衡方程，表明滿足動(dòng)態(tài)平衡條件是獲得連續(xù)穩(wěn)定成型效果的基礎(chǔ)；分析了制備過(guò)程中影響動(dòng)態(tài)平衡情況的主要因素，并對(duì)它們的影響規(guī)律進(jìn)行了探討。
　　 在理論研究的基礎(chǔ)上，提出和發(fā)展了基于激光光致熱塑成型的微結(jié)構(gòu)制備新方法。圍繞這一方法，本文設(shè)計(jì)研究了基于光致熱塑成型的微結(jié)構(gòu)制備總體

4、方案。針對(duì)熱塑性材料、制備環(huán)境及溫度、熱塑成型時(shí)間等微結(jié)構(gòu)成型過(guò)程中的重要影響因素，開展了系統(tǒng)的研究，包括熱塑性材料的選擇和制備基底的準(zhǔn)備、制備環(huán)境溫度和光致熱塑成型時(shí)間的有效控制等；并利用步進(jìn)掃描控制方法實(shí)現(xiàn)基底與激光光斑之間的三維相對(duì)位移，以獲得與掃描路徑一致的圖形化微結(jié)構(gòu)，并為制備更為復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)甚至微器件奠定基礎(chǔ)。
　　 研制了三維微結(jié)構(gòu)的光致熱塑成型制備系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)主要包括激光及其光路、基底材料、液體環(huán)境及液體池、C

5、CD顯微監(jiān)控單元、步進(jìn)掃描微動(dòng)臺(tái)以及計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)。激光光路部分實(shí)現(xiàn)制備激光束的輸出和調(diào)節(jié)，通過(guò)快門進(jìn)行光束的開啟和閉合控制。當(dāng)聚焦光斑照射在放置于液體環(huán)境中的基底材料上時(shí)，可在光斑處制備得到點(diǎn)狀或柱狀微結(jié)構(gòu)；利用步進(jìn)掃描微動(dòng)臺(tái)帶動(dòng)基底相對(duì)于激光光斑做橫向平移，即可制備得到各種所需的復(fù)雜微結(jié)構(gòu)。為了監(jiān)控激光束的聚焦情況并實(shí)時(shí)觀測(cè)制備成型效果，引入CCD顯微監(jiān)控單元，以獲得基底表面被照射區(qū)域的顯微畫面。激光束的快門控制信號(hào)及微結(jié)構(gòu)制備過(guò)

6、程中的掃描路徑控制信號(hào)，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸出。
　　 利用上述系統(tǒng)廣泛開展了基于光致熱塑成型的三維微結(jié)構(gòu)制備實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)、柱、線、面、體及其它復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的制備成型。證明了液體環(huán)境對(duì)微結(jié)構(gòu)形貌的決定性影響；進(jìn)行了半導(dǎo)體激光器與固體激光器兩種光源的制備成型比較實(shí)驗(yàn)，分析了不同光源對(duì)微結(jié)構(gòu)制備效果的影響；在不同的熱塑性基底上，黑色聚乙烯塑料可以實(shí)現(xiàn)微米級(jí)結(jié)構(gòu)成型，而石蠟混合物材料獲得的成型結(jié)構(gòu)在形貌參數(shù)上更具優(yōu)勢(shì)；實(shí)驗(yàn)探索光致熱塑成

7、型的微結(jié)構(gòu)形貌與激光照射時(shí)間的關(guān)系。開展柱型微結(jié)構(gòu)的制備優(yōu)化研究，針對(duì)提高高寬比和縮小直徑兩種應(yīng)用需求，分別獲得了高寬比約為8和直徑約為50μm的柱型微結(jié)構(gòu)。進(jìn)行陣列微結(jié)構(gòu)制備實(shí)驗(yàn)，完成點(diǎn)陣微結(jié)構(gòu)和柱陣微結(jié)構(gòu)的制備成型。在線型微結(jié)構(gòu)制備研究中，分析激光功率和步進(jìn)掃描速度等主要參數(shù)設(shè)置對(duì)制備效果的影響。進(jìn)行了復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的制備實(shí)驗(yàn)探索，實(shí)現(xiàn)了多種復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的光致熱塑成型。
　　 最后對(duì)本課題的研究成果進(jìn)行總結(jié)：從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面研究