飞秒激光制备表面微/纳米结构及其应用：综述

飞秒激光制备表面微/纳米结构及其应用：综述

武汉工程大学的研究人员在《Colloid and Interface Science Communications》期刊上发表了一篇综述文章，详细介绍了飞秒激光制备表面微/纳米结构及其应用。随着加工技术的不断进步，制造具有独特表面微/纳米结构的材料已成为研究的热点之一。其中，飞秒激光加工作为一种高精度、高效率的制造技术已被广泛采用。与其他传统加工方法相比，飞秒激光加工在可控微/纳米结构加工方面具有一定的优势，可制造出多种结构，包括周期结构、微孔阵列结构、三维结构、复合结构等。它们具有光学防伪、防反射、超疏水性能和超亲水性能等。本文综述了飞秒激光加工材料的简化机理、飞秒激光制备的典型表面微/纳米结构以及飞秒激光制备表面微/纳米结构的典型应用。证明了飞秒激光制造表面微/纳米结构的技术前景和应用潜力。

飞秒激光加工制备的表面微/纳米结构类型

1. 周期性表面结构（LIPSS）
   图1展示了飞秒激光加工镍薄膜的示意图。不同激光通量、脉冲和扫描速度下可以形成不同的激光诱导周期性表面结构（LIPSS）。例如，在0.17J/cm²、513nm波长、0.3mm/s扫描速度下形成的结构与0.25J/cm²、1026nm波长、0.5mm/s扫描速度下形成的结构存在明显差异。此外，当飞秒激光辐照Bi₂Te₃时，在3.5μJ至43μJ的脉冲能量和100个脉冲数下也可以观察到类似的周期性结构。

2. 微孔阵列结构
   图2展示了飞秒激光在不同材料表面制备的微孔阵列结构。例如，飞秒激光烧蚀PDMS表面可以形成规则的微孔阵列，而飞秒激光辐照铝表面则可以形成更加复杂的微孔结构。此外，通过飞秒激光烧蚀电极材料还可以制备出具有特殊功能的微孔阵列，如石墨烯-40的上下表面结构。

3. 三维结构
   图3展示了飞秒激光制备的三维结构。例如，通过飞秒激光辐照钛表面可以产生柱状阵列，然后通过化学处理和退火可以获得更加复杂的三维结构。此外，通过飞秒激光微加工和退火，还可以在PMMA表面生成多种三维图案，如由矩形凹槽连接的两个凹槽、同心圆、一端部分连接的周期性矩形凹槽等。

飞秒激光制备表面微/纳米结构的应用

1. 光学应用
   图4展示了飞秒激光在光学领域的应用。例如，飞秒激光处理后的PDMS表面可以形成特殊的光学结构，用于防伪或光学传感。此外，飞秒激光还可以用于制备各种形状的液态金属图案，如树叶图案、星形图案和螺旋图案等。通过飞秒激光烧蚀钛表面还可以获得具有特殊光学性能的方形矩阵图案结构。

2. 仿生学应用
   图6展示了飞秒激光在仿生学领域的应用。例如，通过飞秒激光处理铜表面可以制备出具有变色龙皮肤效果的结构。这种结构可以在不同角度下呈现出不同的颜色，类似于变色龙皮肤的变色效果。此外，通过飞秒激光处理AZO薄膜可以形成纳米孔阵列，从而提高反射率。飞秒激光诱导和热氧化黄铜片也可以制备出具有特殊光学性能的结构。

3. 超疏水/超亲水表面
   图5展示了飞秒激光在制备超疏水/超亲水表面方面的应用。例如，飞秒激光可以在铁基金属玻璃表面诱导形成光栅孔结构，这种结构具有特殊的光学性能。此外，飞秒激光还可以在PDMS表面制备超疏水表面，或者通过部分去除PDMS并烧蚀硅表面制备超疏水-超亲水混合表面。

4. 化学传感
   图10展示了飞秒激光在化学传感领域的应用。例如，通过飞秒激光处理泡沫铜可以制备出具有特殊表面结构的化学传感器。这种传感器可以用于检测溶解氧等化学物质，具有高灵敏度和选择性。

5. 电容储能
   图11展示了飞秒激光在电容储能领域的应用。例如，通过飞秒激光处理可以制备出具有特殊结构的石墨烯超级电容器。这种超级电容器具有高能量密度和快速充放电能力，可以用于各种便携式电子设备。

飞秒激光与材料相互作用的机理

飞秒激光与材料相互作用的机理主要包括以下几个方面：

1. 多光子吸收：飞秒激光的高能量密度可以导致材料中的电子发生多光子吸收，从而产生自由电子和离子。
2. 等离子体效应：自由电子和离子可以形成等离子体，等离子体的膨胀和冷却可以导致材料表面的形变和结构变化。
3. 热效应：飞秒激光的高能量密度可以导致材料表面的局部加热，从而引起材料的熔化、蒸发或相变。
4. 化学反应：飞秒激光还可以引发材料表面的化学反应，从而改变材料的化学性质和表面结构。

总结与展望

飞秒激光表面微/纳米结构制备技术是一种利用飞秒激光的超快时间和高能量密度在材料表面制备微/纳米级结构的前沿制造技术。由于其精度高、效率高、适应性强，该技术在许多领域都有广泛的应用前景。本文讨论了微/纳米结构在日常生活中的应用，包括防伪、防反射、透镜阵列、超疏水/超亲水、化学传感和电容储能等。尽管已有大量的科学研究和应用，但利用飞秒激光加工制备微纳结构仍需要科学家对其未开发区域进行研究，例如，如何“叠加”利用飞秒激光制备的微/纳结构的功能特性。可以预见，随着科学技术的不断发展和进步，这项技术在未来几年将得到更广泛的应用和推广，并取得更大的突破，为各领域的创新和发展提供新的机遇和挑战。