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雙光子聚合飛秒激光單體素加工技術(shù)，用于制備連續(xù)漸變微納針形結(jié)構(gòu)

更新時間：2022-12-21點擊次數(shù)：830

基于飛秒激光的直寫技術(shù)具有高精度、無掩模、非接觸及立體加工等優(yōu)點，是當前微納加工領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。一方面，飛秒激光由于其超高的光子密度，容易誘發(fā)高分子聚合物材料的雙光子吸收效應，從而突破光學衍射極限實現(xiàn)一百納米量級的加工精度；另一方面，飛秒激光由于其極窄的脈寬與極。高的峰值功率，在飛秒切削加工金屬、陶瓷等材料時能夠直接將材料轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體，加工熱影響區(qū)域極小。近年來，飛秒激光直寫技術(shù)已在微納光學、光信息存儲、仿生材料、生物醫(yī)學診療等領(lǐng)域都得到了廣泛的應用，為相關(guān)領(lǐng)域的納米結(jié)構(gòu)加工需求提供了有效的解決方案。


形貌連續(xù)漸變的微納針形結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生非對稱拉普拉斯壓力、構(gòu)建皮牛量級力學環(huán)境、調(diào)節(jié)離子遷徙速率等，在微液滴操控、生物傳感、離子整流等方面都有著廣泛的應用前景。
近年來，非接觸、無掩模的激光直寫加工技術(shù)發(fā)展迅速，為加工微納針形結(jié)構(gòu)提供了許多新思路。相比徑跡刻蝕法、微球輔助刻蝕、微納米壓印等微納針形結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)加工方法，基于雙光子聚合（Two-Photon Polymerization，TPP）的飛秒激光直寫技術(shù)，能夠靈活地調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的外形、變化梯度等形貌參數(shù)，且加工周期短，成本低。
然而，目前的TPP激光直寫技術(shù)主要通過激光焦點的逐點、逐層掃描來構(gòu)建結(jié)構(gòu)，針形結(jié)構(gòu)底面直徑或高度通常為數(shù)微米至百微米級別，尖。端加工精度普遍為百納米量級，不利于構(gòu)建具有納米量級連續(xù)漸變的針形結(jié)構(gòu)；另一方面，基于激光燒蝕和激光輔助加工的微納針形結(jié)構(gòu)底面直徑以及結(jié)構(gòu)高度通常為數(shù)微米，尖。端直徑可以達到100nm以下，但是針形結(jié)構(gòu)的形貌和分布具有很大的隨機性。
針對以上問題，西北大學白晉濤教授和王凱歌研究員課題組近期于《光子學報》期刊發(fā)表論文，提出一種基于TPP飛秒激光直寫系統(tǒng)中的單個體素結(jié)合一維傾角控制體素空間位置的加工方法，能夠簡單高效地加工出具有納米量級漸變精度的微納針形結(jié)構(gòu)。
該論文首先簡要介紹了TPP飛秒激光直寫系統(tǒng)中的基本單元“體素"以及決定體素尺寸的參數(shù)。在此基礎(chǔ)上簡述了常規(guī)的TPP層掃描加工微納針形結(jié)構(gòu)中的問題和不足（如圖1所示）。隨后，該研究提出以體素為基本單元，同時在加工中引入一維傾角控制體素在樣品中的軸向空間位置，最終實現(xiàn)形貌連續(xù)漸變的微納針形結(jié)構(gòu)加工，其原理如圖2所示。

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圖1 飛秒激光雙光子加工體素與層掃描加工微納針形結(jié)構(gòu)形貌

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圖2 單體素加工原理及結(jié)構(gòu)分析

圖3為該研究的實驗裝置與選用的光刻膠材料。在加工中，首先標定了在不同的激光功率下體素的尺寸大小。隨后，設(shè)定實驗中掃描速度、光刻膠材料的配比不變，選取入瞳處激光功率作為變量，通過不同的功率參數(shù)實現(xiàn)不同尺寸微納針形結(jié)構(gòu)加工，其加工結(jié)果如圖4所示。微納針形結(jié)構(gòu)的理論預測的長度和實驗所得的實際長度基本一致。

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圖3 實驗裝置及樣品成分

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圖4 微納針形結(jié)構(gòu)加工實驗結(jié)果及分析

為進一步獲取微納針形結(jié)構(gòu)的尖。端部分的形貌，選取3mW、7mW的尖。端結(jié)構(gòu)利用原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）分別進行了表征。如圖5所示，AFM結(jié)果顯示針形結(jié)構(gòu)頂端最小高度達到5nm，橫向最小線寬為195nm，且微納針形結(jié)構(gòu)整體連續(xù)漸變。

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圖5 針尖結(jié)構(gòu)AFM影像及其形貌分析

最后，為了分析樣品的傾斜角度對微納針形結(jié)構(gòu)的長度和形貌產(chǎn)生的影響，選取了不同的傾斜角度加工出針形結(jié)構(gòu)，并分析其變化規(guī)律，如圖6所示，結(jié)構(gòu)的長度隨傾角的減小而增加，微納針形結(jié)構(gòu)形貌變化速率與傾斜角度成正相關(guān)，不同傾角下所得結(jié)構(gòu)的實際長度和理論長度的對比圖，實驗與理論預期高度一致。

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圖6 微納針形結(jié)構(gòu)加工實驗結(jié)果及分析

綜上，該研究基于TPP飛秒加工系統(tǒng)的單個體素，通過引入一維角度控制體素的空間位置，成功地在光刻膠中實現(xiàn)了一系列形貌連續(xù)漸變的微納針形結(jié)構(gòu)的加工。在該研究中，加工獲得的微納針形結(jié)構(gòu)頂端最小高度達到5nm，橫向最小線寬為195nm，在微納流體力學、微流控、生物大分子檢測、仿生核孔等研究方面具有潛在的應用價值。

論文信息：
DOI：10.3788/gzxb20225110.1014001
來源：微流控