基於飛(fei)秒(miao)激(ji)光的直寫(xie)技(ji)術(shu)具有(you)高精度(du)、無(wu)掩模(mo)、非(fei)接觸(chu)及(ji)立體加工等優(you)點(dian),是(shi)當(dang)前微(wei)納(na)加(jia)工領域的關(guan)鍵技(ji)術(shu)之壹(yi)。壹方(fang)面,飛(fei)秒(miao)激(ji)光由於其超高的光子密(mi)度(du),容(rong)易誘發高分子聚(ju)合(he)物材料的雙(shuang)光子吸(xi)收(shou)效應(ying),從(cong)而(er)突(tu)破(po)光學衍射(she)極(ji)限實(shi)現壹(yi)百(bai)納(na)米量級的加(jia)工精度(du);另(ling)壹方面,飛(fei)秒(miao)激(ji)光由於其極(ji)窄的脈寬與(yu)極(ji)。高的峰值(zhi)功率(lv),在(zai)飛(fei)秒(miao)切削加(jia)工金屬、陶瓷(ci)等材(cai)料時(shi)能(neng)夠直接將(jiang)材(cai)料轉(zhuan)變(bian)為(wei)等離(li)子體,加工熱影(ying)響區(qu)域極(ji)小。近(jin)年來(lai),飛(fei)秒(miao)激(ji)光直寫(xie)技(ji)術(shu)已在(zai)微(wei)納(na)光學、光信息存(cun)儲(chu)、仿生(sheng)材料、生(sheng)物醫(yi)學(xue)診療等領(ling)域都得(de)到了廣泛的應(ying)用(yong),為(wei)相(xiang)關領域的納(na)米結構(gou)加(jia)工需求提(ti)供(gong)了有(you)效的解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。
形(xing)貌(mao)連續(xu)漸(jian)變(bian)的微(wei)納(na)針(zhen)形結(jie)構(gou)能(neng)夠產生(sheng)非(fei)對稱(cheng)拉普(pu)拉斯(si)壓力(li)、構(gou)建(jian)皮牛(niu)量級力學環(huan)境(jing)、調(tiao)節離(li)子遷(qian)徙速(su)率(lv)等,在(zai)微(wei)液(ye)滴(di)操控(kong)、生物傳(chuan)感(gan)、離(li)子整流(liu)等方(fang)面都有(you)著廣泛的應(ying)用(yong)前景(jing)。
近年(nian)來,非(fei)接觸(chu)、無掩模(mo)的激(ji)光直寫(xie)加(jia)工技(ji)術(shu)發展(zhan)迅速(su),為(wei)加工微(wei)納(na)針(zhen)形結(jie)構(gou)提(ti)供(gong)了許(xu)多新思路(lu)。相(xiang)比(bi)徑(jing)跡刻(ke)蝕法(fa)、微(wei)球(qiu)輔(fu)助刻(ke)蝕、微(wei)納(na)米壓印(yin)等微(wei)納(na)針(zhen)形結(jie)構(gou)的傳(chuan)統加(jia)工方法(fa),基於雙(shuang)光子聚(ju)合(he)(Two-Photon Polymerization,TPP)的飛(fei)秒(miao)激(ji)光直寫(xie)技(ji)術(shu),能(neng)夠靈(ling)活地調節結構(gou)的外(wai)形、變(bian)化(hua)梯(ti)度(du)等形(xing)貌(mao)參數,且(qie)加工周期短(duan),成本低(di)。然(ran)而(er),目(mu)前的TPP激(ji)光直寫(xie)技(ji)術(shu)主要(yao)通過(guo)激光焦點(dian)的逐(zhu)點、逐層(ceng)掃描(miao)來構(gou)建(jian)結構(gou),針(zhen)形結(jie)構(gou)底(di)面直徑(jing)或(huo)高度(du)通常(chang)為(wei)數微(wei)米至(zhi)百微(wei)米級別,尖。端(duan)加(jia)工精度(du)普(pu)遍為(wei)百(bai)納(na)米量級,不利(li)於(yu)構(gou)建(jian)具有(you)納米量級連續(xu)漸(jian)變(bian)的針(zhen)形結(jie)構(gou);另(ling)壹(yi)方(fang)面,基於激(ji)光燒蝕和(he)激光輔(fu)助加(jia)工的微(wei)納(na)針(zhen)形結(jie)構(gou)底(di)面直徑(jing)以(yi)及(ji)結構(gou)高度(du)通常(chang)為(wei)數微(wei)米,尖。端(duan)直徑(jing)可(ke)以達(da)到100nm以(yi)下(xia),但是(shi)針(zhen)形結(jie)構(gou)的形(xing)貌和(he)分布(bu)具有(you)很(hen)大(da)的隨(sui)機性(xing)。針(zhen)對以上(shang)問題,西(xi)北(bei)大學白晉(jin)濤(tao)教授(shou)和(he)王凱(kai)歌研究員課(ke)題組(zu)近期於(yu)《光子學(xue)報》期刊(kan)發表(biao)論(lun)文(wen),提(ti)出壹(yi)種基於TPP飛(fei)秒(miao)激(ji)光直寫(xie)系(xi)統中的單(dan)個(ge)體素結(jie)合(he)壹(yi)維(wei)傾角(jiao)控(kong)制體素空(kong)間位置的加(jia)工方法(fa),能(neng)夠簡(jian)單(dan)高效地(di)加工出具有(you)納米量級漸變(bian)精度(du)的微(wei)納(na)針(zhen)形結(jie)構(gou)。該論(lun)文(wen)首先(xian)簡(jian)要(yao)介(jie)紹了TPP飛(fei)秒(miao)激(ji)光直寫(xie)系(xi)統中的基本單(dan)元(yuan)“體素"以(yi)及(ji)決定(ding)體素尺(chi)寸的參(can)數。在(zai)此(ci)基礎上(shang)簡(jian)述(shu)了常(chang)規的TPP層(ceng)掃描(miao)加工微(wei)納(na)針(zhen)形結(jie)構(gou)中的問題和(he)不足(如圖1所示(shi))。隨(sui)後,該研(yan)究提(ti)出以(yi)體素為(wei)基本單(dan)元(yuan),同時(shi)在(zai)加(jia)工中引入壹(yi)維(wei)傾角(jiao)控(kong)制體素在(zai)樣(yang)品(pin)中的軸向空(kong)間位置,最(zui)終實(shi)現形貌連續(xu)漸(jian)變(bian)的微(wei)納(na)針(zhen)形結(jie)構(gou)加(jia)工,其原理(li)如(ru)圖2所示(shi)。圖1 飛(fei)秒(miao)激(ji)光雙光子加(jia)工體素與(yu)層(ceng)掃描(miao)加工微(wei)納(na)針(zhen)形結(jie)構(gou)形(xing)貌(mao)圖2 單(dan)體素加(jia)工原理(li)及(ji)結構(gou)分析(xi)圖3為該研(yan)究的實(shi)驗(yan)裝置與(yu)選(xuan)用的光刻(ke)膠材(cai)料。在(zai)加(jia)工中,首先(xian)標定了在(zai)不同的激(ji)光功率(lv)下(xia)體素的尺(chi)寸大小(xiao)。隨(sui)後,設(she)定(ding)實(shi)驗(yan)中掃描(miao)速(su)度(du)、光刻(ke)膠材(cai)料的配比(bi)不變(bian),選(xuan)取入(ru)瞳處激光功率(lv)作為變(bian)量,通過(guo)不同的功率(lv)參數實(shi)現不同尺(chi)寸(cun)微(wei)納(na)針(zhen)形結(jie)構(gou)加(jia)工,其加(jia)工結果(guo)如(ru)圖4所示(shi)。微(wei)納(na)針(zhen)形結(jie)構(gou)的理(li)論(lun)預測(ce)的長度(du)和(he)實驗(yan)所得(de)的實(shi)際長度(du)基本壹(yi)致。圖3 實驗(yan)裝置及(ji)樣品(pin)成分圖4 微(wei)納(na)針(zhen)形結(jie)構(gou)加(jia)工實驗(yan)結果(guo)及(ji)分析(xi)為進(jin)壹(yi)步(bu)獲取微(wei)納(na)針(zhen)形結(jie)構(gou)的尖(jian)。端(duan)部(bu)分的形(xing)貌,選取3mW、7mW的尖(jian)。端(duan)結(jie)構(gou)利(li)用(yong)原子力(li)顯微(wei)鏡(Atomic Force Microscope,AFM)分別進行(xing)了表(biao)征。如(ru)圖5所示(shi),AFM結果顯(xian)示(shi)針(zhen)形結(jie)構(gou)頂端(duan)最(zui)小高度(du)達(da)到5nm,橫(heng)向最(zui)小線寬為(wei)195nm,且微(wei)納(na)針(zhen)形結(jie)構(gou)整體連續(xu)漸(jian)變(bian)。圖5 針(zhen)尖結(jie)構(gou)AFM影(ying)像(xiang)及(ji)其形(xing)貌分析(xi)最(zui)後,為(wei)了分析(xi)樣品(pin)的傾斜(xie)角(jiao)度(du)對微(wei)納(na)針(zhen)形結(jie)構(gou)的長度(du)和(he)形貌(mao)產生(sheng)的影(ying)響,選(xuan)取了不同的傾斜(xie)角(jiao)度(du)加(jia)工出針(zhen)形結(jie)構(gou),並(bing)分析(xi)其變(bian)化(hua)規律,如(ru)圖6所示(shi),結構(gou)的長度(du)隨(sui)傾角(jiao)的減(jian)小(xiao)而(er)增加,微(wei)納(na)針(zhen)形結(jie)構(gou)形(xing)貌(mao)變(bian)化(hua)速(su)率(lv)與傾斜(xie)角(jiao)度(du)成正相(xiang)關(guan),不同傾角(jiao)下(xia)所得(de)結(jie)構(gou)的實(shi)際長度(du)和(he)理論(lun)長度(du)的對比圖,實驗(yan)與理(li)論(lun)預期高度(du)壹(yi)致。圖6 微(wei)納(na)針(zhen)形結(jie)構(gou)加(jia)工實驗(yan)結果(guo)及(ji)分析(xi)綜上(shang),該研(yan)究基於TPP飛(fei)秒(miao)加(jia)工系統的單(dan)個(ge)體素,通過(guo)引入壹(yi)維(wei)角(jiao)度(du)控(kong)制體素的空(kong)間位置,成功地(di)在(zai)光刻(ke)膠中實現(xian)了壹(yi)系(xi)列形(xing)貌(mao)連(lian)續(xu)漸(jian)變(bian)的微(wei)納(na)針(zhen)形結(jie)構(gou)的加(jia)工。在(zai)該研(yan)究中,加工獲得(de)的微(wei)納(na)針(zhen)形結(jie)構(gou)頂端(duan)最(zui)小高度(du)達(da)到5nm,橫(heng)向最(zui)小線寬為(wei)195nm,在(zai)微(wei)納(na)流(liu)體力學(xue)、微(wei)流(liu)控(kong)、生物大分子檢測(ce)、仿生核孔(kong)等研(yan)究方面具有(you)潛在(zai)的應(ying)用(yong)價(jia)值(zhi)。DOI:10.3788/gzxb20225110.1014001來源(yuan):微(wei)流(liu)控(kong)