一种紫外激光诱导高分子薄膜局部图案化和金属化的方法

技术领域

本发明涉及高分子薄膜加工技术领域，尤其涉及一种紫外激光诱导高分子薄膜局部图案化和金属化的方法。

背景技术

高分子薄膜材料因其独特的物理化学性质，在电子电器、医疗卫生、光学等领域应用广泛。因此，高分子薄膜材料的加工与处理技术也越来越重要。其中，高分子薄膜材料的局部图案化和金属化技术作为一种特殊的加工技术，在电子、传感器、光学、显示等重要领域都有着广泛的应用，如精细化电极电路的加工、光学元器件微纳结构的加工等。随着柔性电子设备、可穿戴设备、光学元器件、传感器等各类新兴高端器件与设备的快速发展，对高分子薄膜材料的局部图案化和金属化方法的加工质量和效率等方面提出了更高的要求。

目前，在图形化和金属化方法方面，除了采用传统光刻、热蒸发、溅射、化学镀等方法实现图形化自组装和金属化涂层。近来也报道了图形化和金属化的其他方法，比如化学气相沉积、原子层沉积、微球自组装单层膜和微接触印刷等方法。然而，这些方法存在一些问题，如：成本高、工艺复杂、污染大，或对制备条件有严格要求(高温高真空)。此外，上述这些图案化和金属化方法还受限于设备尺寸、衬底材质等约束，无法形成任意的图案。例如，用于光刻的光掩模或接触印刷的模具一旦制造好了就不能修改。更进一步地，上述方法难以应用于热敏感的高分子薄膜材料的局部图案化和金属化，满足高分子薄膜材料大尺寸、跨尺度、低损伤加工的需求。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种紫外激光诱导高分子薄膜局部图案化和金属化的方法。

本发明的一种紫外激光诱导高分子薄膜局部图案化和金属化的方法，包括如下步骤：

S1：将高分子薄膜材料浸泡在含有一定浓度金属盐和光引发剂的有机溶剂中并达到溶胀平衡，使金属离子和光引发剂渗透并均匀分布在高分子薄膜材料中；其中，一定浓度视具体的金属盐和有机溶剂而定，不大于金属盐溶液在有机溶剂中的溶解度。

S2：绘制需要加工的图案，设置激光加工工艺参数，采用紫外激光加工系统对步骤S1处理后的高分子薄膜材料进行激光诱导图案化和金属化加工；

S3：加工完成后，用乙醇和水清洗步骤S2得到的样品，去除高分子薄膜材料内残余的化学试剂，然后晾干。

进一步的，高分子薄膜材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯膜、聚酰亚胺膜、聚二甲基硅氧烷膜。

进一步的，有机溶剂包括乙醇、丙酮、甲苯、正己烷或N,N-二甲基甲酰胺。

进一步的，所述的金属盐包括铜、银、金盐中的一种。

进一步的，所述光引发剂包括二苯甲酮或光引发剂184。

进一步的，步骤S1的有机溶剂中还含有表面活性剂、稳定剂、还原剂中的一种或多种。

进一步的，所述激光加工工艺参数包括重复频率、输出功率、扫描速度、扫描次数、焦平面位置。

本发明技术方法的原理是：

紫外激光作为高能激光束，单光子能量和能量密度高，在紫外激光的照射下，某些高分子薄膜材料的分子链上的官能团会受激生成带电子的基团，光引发剂等化学试剂也会在紫外激光的激发下生成大量自由电子和带电子的基团，这些自由电子和带电子的基团与金属离子相互作用，将金属离子还原并进一步沿着激光扫描路线聚集生长，从而形成局部的图案化和金属化。

本发明的有益效果为：

(1)本发明中的技术方法可对高分子薄膜材料直接进行局部图案化和金属化加工，可直接在正常大气开放环境下加工，也不需要掩模版等辅助手段，工艺简单，效果显著，成本低廉。

(2)本发明中的技术方法利用激光加工这一手段进行高分子薄膜材料局部图案化和金属化加工，加工效率和精度高，可进行大批量、跨尺度加工。

(3)本发明中的技术方法利用高分子材料特有的溶胀渗透特性进行掺杂处理，引入金属离子、光引发剂等化学试剂，与现有的机械共混、溶液共混等工艺相比，操作简单，成本低廉，掺杂均匀，而且可以对已成型的高分子薄膜进行大批量均质化的处理。

(4)本发明中的技术方法采用紫外激光加工系统，利用皮秒或飞秒激光“冷加工”的特性，可显著降低激光加工过程中热效应对高分子薄膜材料的损害。

(5)本发明中的技术方法可应用于多种透明或半透明的高分子薄膜材料，可供选择的有机溶剂、金属盐、引发剂等化学试剂范围广泛，可满足诸多加工工艺需求。

(6)本发明中的技术方法可以通过后续的清洗步骤去除高分子薄膜内未加工区域渗透的化学试剂，从而消除外来物质对高分子薄膜材料基体自身性质的影响。

(7)本发明中的技术方法不使用有毒有害的化学试剂，也不需要高温高压等特殊条件，加工过程安全卫生，绿色环保。

本发明的一种紫外激光诱导高分子薄膜局部图案化和金属化加工方法，加工精度和效率高，不需要掩模版等辅助手段，也不需要高温、真空等特殊环境，工艺简单，成本低，具有普适性，可精确控制激光能量，实现高分子薄膜局部图案化和金属化的高质高效加工，避免热效应给高分子薄膜材料基体带来的损伤，进行大批量、跨尺度高分子薄膜局部图案化和金属化加工。

附图说明

图1为本发明一种紫外激光诱导高分子薄膜局部图案化和金属化方法的过程与原理示意图；

图2为本发明一种紫外激光诱导高分子薄膜局部图案化和金属化方法所采用的激光加工系统的示意图；

图3为实施例1的实际加工效果图；

图4为实施例2的实际加工效果图。

其中，1、紫外激光器；2、是紫外激光束；3、是第一反射镜；4、是第二反射镜；5、振镜；6、聚焦场镜；7、高分子薄膜材料。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

一种紫外激光诱导高分子薄膜局部图案化和金属化方法包括有机溶剂与掺杂剂的选择，溶液的配置与高分子薄膜材料的溶胀渗透与处理，高分子薄膜材料的激光诱导图案化，高分子薄膜材料样品的清洗4大步骤。一种紫外激光诱导高分子薄膜局部图案化和金属化方法的具体流程为：

1)根据采用的紫外激光加工系统、待加工的高分子薄膜材料自身的性质以及加工需求，选择合适的有机溶剂、金属盐、光引发剂等化学试剂；

2)配制含有最佳浓度与配比的金属盐、光引发剂等化学试剂的有机溶液；

3)将高分子薄膜材料浸泡在含有一定浓度金属盐、光引发剂等化学试剂的有机溶剂中并达到溶胀平衡，使金属离子、光引发剂等化学试剂渗透并均匀分布在高分子薄膜材料中；

4)绘制需要加工的图案，设置最佳的激光加工工艺参数；

5)待高分子薄膜达到溶胀平衡后，采用激光加工系统对预处理后的高分子薄膜材料进行激光诱导图案化和金属化加工(如图2所示)；

6)加工完成后，用乙醇和水清洗样品，去除高分子薄膜材料内残余的化学试剂，然后晾干。

如图1所示，紫外激光作为高能激光束，单光子能量和能量密度高，在紫外激光的照射下，某些高分子材料的分子链上的官能团会受激生成带电子的基团，光引发剂等化学试剂也会在紫外激光的激发下生成大量自由电子和带电子的基团，这些自由电子和带电子的基团与金属离子相互作用，将金属离子还原并进一步沿着激光扫描路线聚集生长，从而形成局部的图案化和金属化。

实施例1：

按照上述步骤与原理，采用激发波长为355nm、脉宽为16ns的紫外纳秒激光加工系统，选择聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为待加工的高分子薄膜材料。基于上述激光加工系统和待加工材料，选择乙醇作为有机溶剂，选择铜盐作为金属盐，选择二苯甲酮作光引发剂；配置铜盐浓度为0.2mol/L、二苯甲酮浓度为0.5mol/L的乙醇溶液；将聚二甲基硅氧烷薄膜浸泡在上述有机溶液中进行溶胀渗透处理，使各种化学分子渗透并均匀分布在聚二甲基硅氧烷薄膜中；待聚二甲基硅氧烷薄膜在有机溶液达到溶胀平衡后，采用上述紫外纳秒激光加工系统加工聚二甲基硅氧烷薄膜，将激光加工工艺参数设置为：重复频率200kHz，扫描速度1000mm/s，平均功率7.71W，扫描次数50次，激光扫描图案为“十”字；加工完成后，用乙醇和水清洗样品，去除高分子薄膜材料内部未加工区域的化学试剂，然后晾干。实验结果显示，进行激光局部图案化和金属化加工后的聚二甲基硅氧烷薄膜内清晰地显示出红棕色“十”字图案，如图3所示。

实施例2：

按照上述步骤与原理，采用激发波长为355nm、脉宽为12ps的紫外皮秒激光加工系统，选择聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为待加工的高分子薄膜材料。基于上述激光加工系统和待加工材料，选择丙酮作为有机溶剂，选择铜盐作为金属盐，选择光引发剂184作光引发剂；配置铜盐浓度为0.2mol/L、光引发剂184浓度为0.5mol/L的丙酮溶液；将聚二甲基硅氧烷薄膜浸泡在上述有机溶液中进行溶胀渗透处理，使各种化学分子渗透并均匀分布在聚二甲基硅氧烷薄膜中；待聚二甲基硅氧烷薄膜在有机溶液达到溶胀平衡后，采用上述紫外纳秒激光加工系统加工聚二甲基硅氧烷薄膜，将激光加工工艺参数设置为：重复频率400kHz，扫描速度500mm/s，平均功率0.6W，扫描次数200次，激光扫描图案为“正”字；加工完成后，用乙醇和水清洗样品，去除高分子薄膜材料内部未加工区域的化学试剂，然后晾干。实验结果显示，进行激光局部图案化和金属化加工后的聚二甲基硅氧烷薄膜内清晰地显示出红棕色“正”字图案，如图4所示。

以上未涉及之处，适用于现有技术。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。