激光构建金属微纳阵列及功能玻璃研究

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近年来,图案化和周期性金属薄膜在功能器件和能量转换方面有着广泛的应用潜力,例如微阵列、微加热平台和功能玻璃等。包括磁控溅射、真空蒸发、分子束外延、和原子层沉积在内的气相沉积技术被广泛用于制备各种金属薄膜。但是,以上方法制备的均为连续薄膜,要想获得图案化薄膜,需要采用掩膜版引入光刻、剥离等微加工技术。三维(3D)打印技术可以在没有模板的数字模型帮助下,直接将有图案的金属薄膜打印到特定基板上。然而,金属源需要在高于其熔点的高温下熔化,这很大程度上限制了基底材料的选择。因此,在无模板的常温环境下,不同衬底上制备图案化金属薄膜仍然存在一些挑战。作为一种微加工技术,激光提供了一个快速、经济、环保和能够原位加工的新视角。激光加工技术广泛用于各种纳米材料的合成,特别是高能量强度、小加热面积的飞秒脉冲激光可以精确地制备各种纳米结构。激光合成纳米结构的主要工艺原理是激光辐照吸收引起光热或/和光化学反应,促进前驱体材料的转化和结晶。针对常规方法对图案化金属薄膜制备的限制,本论文利用激光的可操控性和高能量的特点,开发了一种简单、高效的金属薄膜制备方法,激光转移复写技术。构建了功能玻璃和微加热平台;并通过扫描电镜、X射线衍射、红外热成像仪等手段研究了功能器件的性能及原理。本论文的主要研究内容如下:(1)功能玻璃:对叠放在一起的铜箔和玻璃进行激光转移复写,经紫外激光高速光子轰击后,铜原子获得了高速向下的速度,向下运动并且沉积在和铜箔紧密贴合的玻璃基底上。通过电脑软件控制激光走向,激光行走的图案,可以通过金属纳米颗粒的沉积,转移复写到基底上,在基底上可控制备金属图案。除了玻璃,还可以选择任何材料作为基底,如氮化铝陶瓷片和PI膜等。激光构建的功能玻璃具有优异的透光性和导电性:400 nm-1000 nm的波长范围内,制备的功能玻璃透光率可达90%;载有长度0.5 cm,宽度100μm铜条纹的玻璃基底,其电阻约为5Ω。此外,该功能玻璃还具有优异的杀菌性能,可以杀死95%的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。(2)微加热平台:采用激光转移复写金属图案的方法在玻璃基底上制备了铜条纹,并通过导线接入电路,构建了微加热平台。施加的电压不同,铜条纹达到的饱和温度也不同。在2.5 V下,单个铜条纹(宽度为500μm)的最大饱和温度可达274℃。此外,铜条纹还具有良好的热循环稳定性(7次循环)及良好的加热耐久性(12 h)。除了可以通过调控电压来控制铜条纹的产热温度,我们还可以控制铜条纹的沉积位置来实现温度的局部控制。通过除雾、除水和除冰的模拟实验,我们证实了激光在玻璃上沉积铜条纹可以有效地构建微加热平台。
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