[发明专利]脉冲激光在共轭聚合物表面制备条纹结构的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及光电子材料技术领域，特别涉及在共轭聚合物表面利用脉冲激光诱导快速高效地制备大面积均周期性条纹结构的方法。

背景技术

单束脉冲激光直接照射聚合物材料表面自发形成有序的米表面条纹结构是激光物理领域一个重要的现象。由于条纹具有高度规则性，这种现象被称为激光诱导表面周期性结构(LIPSS)。LIPSS的形成是由于入射光与表面散射波发生干涉对激光能量密度的周期性分布，促使聚合物分子产生局部迁移、降解等形成。近年来，人们在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)和聚醚醚酮(PEEK)等聚合物材料表面获得了激光诱导周期性表面微结构。LIPSS结构在液晶定向模板，聚合物的表面改性等得到广泛应用。共轭聚合物是一类具有单键双键交替共轭形成的聚合物，它具有独特的电子、电化学和光学性质，因此在能源、信息存贮、光电子器件、传感器、军事隐身技术等方面具有重要的应用。在先技术(Vandyke LS，Brumlik CJ，Martin CR，Yu ZG， Collins GJ，UV laser ablation of electronically conductive polymers，Synth.Met.1992，52(3)：299-304)中采用紫外激光束聚焦辐照聚吡咯和聚苯胺薄膜表面，利用激光的消融作用在薄膜表面制备出共轭聚合物表面微结构，该方法由于采用紫外光作为光源，由于这些波长激光光子的能量大于或接近于聚合物的键能，在微结构的制备过程中往往伴随着聚合物材料的光分解或光降解，聚合物的性能受到明显影响。专利CN1654516A利用两束飞秒激光干涉聚焦的方法，在共轭聚合物薄膜表面形成一系列点，而在每个点内包含导电聚合物周期性微光栅结构，形成条纹结构所需的能量密度大于共轭聚合物消融所需的能量密度阈值。该方法需要两束光同时作用，需的设备复杂，采用点扫描的方法，所得图形面积十分有限，因而限制了其应用研究的开展。同时光束能量密度高，因此聚合物容易被氧化降解。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述技术的不足，提供一种快速、高效的制备大面积共轭聚合物表面制备周期性条纹结构的方法，本发明的方法和设备能够直接在大面积的共轭聚合物表面通过一次性扫描，制备出无消融降解的共轭聚合物，可以满足大批量生产的实际要求，具体实施步骤是：

①在导电玻璃表面用电化学聚合物制备共轭聚合物薄膜，将聚合物膜放置于样品室中；

②将一束脉冲激光经扩束镜，然后由柱面镜聚焦，形成线状光斑聚集在聚合物膜表面；

③控制激光器的输出能量，使相干处的能量密度小于导电聚合物消融所需的能量密度阈值；

④控制平移台移动，在激光相干场作用过的聚合物薄膜表面形成周期性微光栅结构。

其中，上述方法中步骤1包括以下步骤：(1)将沉积聚合有聚合物膜的导电玻璃基片放置于带光学透光窗口的密封样品室内；(2)将所述装有透光窗口的密闭腔体抽取空气至真空度为预先设置的数值范围，进一步地，所述步骤1还包括将辅助气体的一种或几种的混合物充入样品室内，所述辅助气体是指在聚合物膜刻写制备过程中，起钝化、防止聚合物消融降解作用的气体，包括N₂、He、Ne、Ar中的一种或几种。

在上述方法中，所述步骤2具体包括：将激光器输出的脉冲激光光束经扩束后，利用聚焦光学元件将整形后的光束汇聚成线形光斑，聚焦在样品膜表面附件，所述激光器输出激光的脉冲宽度从飞秒至毫秒范围，激光器输出频率从0.1-100K赫兹范围，激光器输出的单脉冲能量从0.1毫焦耳1000焦耳范围。并且，所述脉冲激光光束整形并聚焦后为线性光斑，光斑的宽度在10微米至1毫米。所述聚焦光学元件是能对激光光束进行单方向聚焦或各向压缩非对称的单个光学元件或两个及两个以上的光学元件组合，如柱面镜、柱透镜、光栅等能把光束汇聚形成线状的单个光学元件或多个光学元件的组合。

在上述方法中，所述步骤3具体包括：依据聚合物种类和聚合物膜的大小，确定所需激光能量密度、脉冲宽度、激光波长、以及扫描速度。

本发明还提供了一种快速制备大面积共轭聚合物膜表面条纹结构的设备，其特征在于：

带透光窗口的密封样品室，其内部放置共轭聚合物膜并形成激光刻写环境；

整形聚焦部件，对激光光束整形并聚焦为线形光斑，辐照所述聚合物膜表面；

控制系统，控制所述激光光束在聚合物表面进行光栅式扫描，在聚合物膜表面生长条纹结构。