脉冲飞秒激光诱导柔性薄膜表面图案化纳米颗粒植入装置和方法

技术领域

本发明涉及激光微纳增材制造技术领域，具体地，涉及一种脉冲飞秒激光诱导柔性薄膜表面图案化纳米颗粒植入装置和方法。

背景技术

柔性薄膜上的图案化纳米颗粒阵列具有局域表面等离激元增强效应，在超材料、高灵敏度检测和可穿戴设备等领域具有广阔发展潜力，为提高探测和传感的灵敏度，需要减小颗粒尺寸的同时提升增大阵列面积，开发高精度、高效率的制备方式成为推动其研究应用的关键。

常见微纳加工方法主要有光刻、刻蚀和纳米压印等方法均可在硬质基底如硅片、玻璃等表面制备大面积、高精度微纳米图案阵列。由于以上工艺通常包含加热和化学清洗过程，可能导致聚合物薄膜损伤，所以通常无法直接应用于柔性薄膜上的图案化纳米颗粒制备，通常需要多种微加工技术组合使用。Zhou等人(W.Zhou,T.W.Odom,Tunablesubradiant lattice plasmons by out-of-plane dipolar interactions,NatureNanotechnology,6,423,2011)提出了光学光刻+薄膜沉积+刻蚀+剥离的组合工艺，首先制备带有纳米孔的掩膜，然后使用制备掩膜沉积目标材料，最后剥离掩膜获得聚氨酯薄膜表面直径160nm的金纳米颗粒，但该方法包含的工艺流程复杂，导致加工成本高、周期长。Aksu等人(S.Aksu,M.Huang,A.et al.,Flexible plasmonics on unconventional andnonplanar substrates,Advanced Materials,23,4422,2011)提出了电子束光刻制备纳米掩模版的方法，成功制备了亚100nm的纳米颗粒阵列，但掩模沉积无法使颗粒嵌入薄膜中，而且制作掩模降低工艺灵活性，不利于小批量快速生产，限制了其发展和应用。

微增材制造技术相比传统方法具有无模加工、成本低、周期短、灵活高效等特点，主要包含激光直写、电化学沉积、喷嘴打印和激光选区烧结等几种。其中，激光直接的分辨率较高，但通常只能打印树脂材料；电化学沉积的效率低，无法大规模制造；喷嘴打印和激光烧结受喷嘴尺寸和光斑尺寸的限制，无法实现微米甚至亚微米的分辨率的大打印。

专利文献CN102191497A公开了一种在合金基体表面制备纳米碳基薄膜的方法和装置，适用于需强化的结构金属表面薄膜的加工，本发明将基体温度提高到动态应变时效温度的同时，将碳化物纳米颗粒作为主要成分制备成激光冲击柔性吸收层，吸收层吸收激光能量产生等离子体冲击波，在高压冲击力作用下使吸收层下方未被汽化的纳米颗粒植入轻质合金表层，制备纳米碳基薄膜。然而该专利无法完全解决目前存在的技术问题。

所以，目前柔性薄膜上图案化纳米颗粒阵列制备工艺复杂，导致制造成本高、周期长，严重制约了柔性薄膜超材料的研究和应用，现有工艺通常无法直接将颗粒植入柔性薄膜中，降低了其应用稳定性，亟待开发一种灵活高效的柔性薄膜上纳米颗粒植入方法，提升使用耐久性，提高制备效率，降低工艺成本。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种脉冲飞秒激光诱导柔性薄膜表面图案化纳米颗粒植入装置和方法。

根据本发明提供的脉冲飞秒激光诱导柔性薄膜表面图案化纳米颗粒植入装置，包括：飞秒激光器、整形和扫描光路、供体基底、柔性薄膜和运动平台；

所述飞秒激光器的输出端与整形和扫描光路的输入端为水平放置；

所述整形和扫描光路位于供体基底上方；

所述柔性薄膜平铺在运动平台上；

所述运动平台位于供体基底下方；

所述飞秒激光器产生的脉冲激光经过整形和扫描光路被调制成特定图案化光束后，透过载有离散薄膜的供体基底聚焦到离散薄膜上，离散薄膜在飞秒激光脉冲辐照下弹跳脱离供体基底，同时熔化收缩成球形颗粒，以预设速度嵌入到柔性薄膜中，实现柔性薄膜内的纳米颗粒植入。

优选地，所述整形和扫描光路包括：衰减器、反射镜、扩束镜、空间光调制器或数字微镜器件、扫描振镜和聚焦场镜；

所述飞秒激光器产生的脉冲激光束经过衰减器、反射镜和扩束镜调整能量和尺寸后入射到空间光调制器或数字微镜器件，被整形成特定的形状和能量分布，后经过扫描振镜被聚焦场镜聚焦到离散薄膜上。

优选地，所述离散薄膜放置到距离柔性薄膜上表面预设的位置。

优选地，通过扫描振镜和运动平台控制图案化光束的辐照位置。

优选地，所述空间光调制器或数字微镜器件变换图案化光束二维形状，控制单次脉冲激光植入纳米颗粒图案形状。

优选地，所述衰减器控制图案化光束能量，调节纳米颗粒在柔性薄膜中的嵌入深度。

根据本发明提供的脉冲飞秒激光诱导柔性薄膜表面图案化纳米颗粒植入方法，包括如下步骤：

步骤S1：将柔性薄膜平铺到运动平台上，将离散薄膜放置到距离柔性薄膜上表面预设位置；

步骤S2：通过扫描振镜控制图案化光束的聚焦位置，对所述柔性薄膜的毫米尺寸范围进行纳米颗粒植入；

步骤S3：通过运动平台带动运动，对所述柔性薄膜进行厘米范围的纳米颗粒植入。

优选地，所述柔性薄膜材质包括聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚二甲基硅氧烷PDMS、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚萘乙烯PE、聚氨酯PU和聚酰亚胺PI。

优选地，通过调节图案化光束在不同硬度薄膜上植入纳米颗粒。

优选地，所述供体基底上的离散薄膜通过包括电子束光刻、纳米压印和掩模沉积在内的微纳加工方式获得。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过单次飞秒脉冲辐照一步将图案化纳米颗粒阵列植入柔性薄膜中，避免复杂的光刻、旋涂和剥离工艺，提高了制备效率；

2、本发明通过控制激光能量调节纳米颗粒的植入深度，进而能够调控制备材料的性能和寿命，而且能对不同硬度柔性薄膜进行植入；

3、本发明未使用任何化学试剂，避免柔性薄膜的表面和性能损伤，保证工艺过程绿色环保。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中脉冲飞秒激光诱导柔性薄膜表面纳米颗粒阵列植入方法示意图；

图2为本发明中所用脉冲飞秒激光整形和扫描光路示意图；

图3为本发明中脉冲飞秒激光诱导柔性薄膜表面图案化纳米颗粒阵列植入流程示意图；

图4为本发明中飞秒激光诱导纳米颗粒植入的柔性薄膜示意图；

图中：1-飞秒激光器；2-脉冲激光束；3-整形和扫描光路；31-衰减器；32-反射镜；33-扩束器；34-空间光调制器或数字微镜器件；35-扫描振镜；36-聚焦场镜；4-图案化光束；5-供体基底；6-离散薄膜；7-纳米颗粒；8-柔性薄膜；9-运动平台。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

如图1所示，本发明提供一种脉冲飞秒激光诱导柔性薄膜表面图案化纳米颗粒植入方法，其实现装置由飞秒激光器1、整形和扫描光路3、运动平台9组成，飞秒激光器1产生的脉冲激光2经过整形和扫描光路3被调制成特定图案化光束4后，透过载有离散薄膜6的透明供体基底5聚焦到离散薄膜6上，离散薄膜6在飞秒激光脉冲辐照下弹跳脱离供体基底5，同时熔化收缩成球形颗粒，以一定的速度嵌入到柔性薄膜8中，实现柔性薄膜8内的纳米颗粒7植入。

进一步来说，脉冲飞秒激光整形和扫描光路3，包括衰减器31、扩束镜33、空间光调制器或数字微镜器件34、扫描振镜35和聚焦场镜36，所述飞秒激光器1产生的脉冲激光束2经过衰减器31和扩束镜33调整能量和尺寸后入射到空间光调制器或数字微镜器件34，被整形成特定的形状和能量分布，后经过扫描振镜35被聚焦场镜36聚焦到离散薄膜6上。

更进一步来说，柔性薄膜8平铺到运动平台9上，离散薄膜6放置到距离柔性薄膜8上表面一定的位置，通过扫描振镜35和运动平台9控制图案化光束4的辐照位置。

工作原理：

如图1所示，飞秒激光器1产生的脉冲激光束2经过衰减器31和扩束镜33调整能量和尺寸后入射到空间光调制器或数字微镜器件34，被整形成特定的形状和能量分布的图案化光束4，如图2所示，后经过扫描振镜35被聚焦场镜36聚焦，经过透明供体基底5辐照到离散薄膜6背面，在飞秒激光脉冲的力热作用下离散薄膜6弹跳脱离供体基底5，同时熔化收缩成球形颗粒，以一定的速度嵌入到柔性薄膜8中。

空间光调制器或数字微镜器件34能够变换图案化光束4二维形状，控制单次脉冲激光植入纳米颗粒图案形状；利用衰减器31控制图案化光束4能量，调节纳米颗粒7在柔性薄膜8中的嵌入深度。

如图3所示，本发明还提供了一种脉冲飞秒激光诱导柔性薄膜表面图案化纳米颗粒植入方法，包括如下步骤：

步骤S1：所述柔性薄膜8平铺到运动平台9上，离散薄膜6放置到距离柔性薄膜8上表面一定的位置。

步骤S2：通过扫描振镜35控制图案化光束4的聚焦位置，对所述柔性薄膜8的毫米尺寸范围进行纳米颗粒7植入。

步骤S3：通过运动平台9带动运动，对所述柔性薄膜8进行厘米范围的纳米颗粒7植入。

脉冲飞秒激光在柔性薄膜8上植入图案化纳米颗粒7的效果示意，如图4所示。其中，本发明所用柔性薄膜8为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚二甲基硅氧烷PDMS、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚萘乙烯PE、聚氨酯PU或聚酰亚胺PI，通过调节图案化光束4在不同硬度薄膜上植入纳米颗粒7。

本发明所用供体基底5上的离散薄膜6通过电子束光刻、纳米压印、掩模沉积或其他微纳加工获得。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。