[发明专利]一种基于激光诱导喷嘴的多维微细结构沉积方法

说明书

本发明公开了一种基于激光诱导喷嘴的多维微细结构沉积方法，包括如下步骤：S1：通过磁控溅射、蒸发镀及电镀技术将靶材(4)置于基片(3)上；S2:调节激光器产生的激光的能量和频率，产生高能脉冲激光(1)；S3:形成熔融液态层；S4:在等离子体对外辐射冲击波的作用下，熔融液态层向前推动；S5：熔融液态层以激光聚焦光斑为中心，依次形成气态区(6)、熔融区(7)以及固态区(8)；S6：在中心局部的熔融区(7)与固体区(8)凝固变形形成一个喷嘴(9)；S7:经过喷嘴(9)进行液滴(10)喷射，在接收基片(5)得到多维微细结构。本发明提出利用激光诱导喷嘴，喷嘴可提供稳定的、高度定向的液滴喷射，可以提高喷射的定向性，其方法操作简单。

技术领域

本发明涉及一种基于激光诱导喷嘴的多维微细结构沉积方法，属于表面微细结构加工、微纳米技术领域。

背景技术

直写技术是一种新型微加工技术，其加工过程不需模板并可在亚微米至厘米范围实现材料加工成型。墨水直写、喷墨打印和激光直写作为最常用的直写技术，具有强大的二维、三维成型能力和优异的成型精度，可实现金属、陶瓷、聚合物、水凝胶等复杂构型的程序化构筑，被广泛应用于微电子、组织工程、微流控等领域。金属材料的数字打印技术可能是功能性三维打印中缺失的最重要的一个因素，到目前为止这项技术基本上完全依赖于聚合物材料。由聚合物构成的三维结构通常缺乏机械、电气、热学等性能，而这些性能是功能结构和设备装置所必需的。通过传统方法进行金属沉积，不管是蒸发还是电化学沉积，对于快速聚集的多层三维结构来说是远远不够的。到目前为止，金属材料的数字打印技术还是基于金属油墨，纳米或微米级金属颗粒油墨配方，通过印刷烧结的方式获得金属层。一般来说，这种金属油墨和颗料的打印方法用于图形艺术行业，如丝网印刷、喷墨印刷、柔性版印刷、凹版印刷。然而，印刷油墨有一些众所周知的局限性。首先，可供选择的金属种类相当有限，基本局限在银、金、铜。除此之外，所选金属的液体润湿特性限制了打印产品的几何形状，而打印后的热烧结工艺进一步限制了基板材料的选择。

微电路是指具有高密度等效电路元件和(或)部件，并可作为独立件的微电子器件。微机电系统(MEMS)是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。主要由传感器、作动器(执行器)和微能源三大部分组成。具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产这几个特点。在电子、医学、工业、汽车和航空航天系统方面有着广泛的应用前景。

激光诱导向前转移，也叫激光直写的制造技术，近年来越来越受到关注。其基本原理如图6所示，激光聚焦于靶材(或牺牲层)表面，当激光脉冲能量超过一定阈值，聚焦区域内的一小块材料被抛离靶材，射向基片并沉积于其上。激光诱导向前转移无需制作掩膜，加工周期短，工艺柔性好；沉积精度高，可以达到微米级别，比电铸的精度高一个量级；而且适用的材料更广泛，从金属、半导体、到陶瓷、高分子及至生物材料等都能这种方法进行沉积。

传统的激光沉积技术是将高功率脉冲激光束聚焦于靶体材料表面,使材料熔蚀产生高温高压等离子体，定向膨胀发射在衬底上进行沉积。脉冲激光沉积一般用来制备微纳米薄膜，也有学者采用这种技术制造具有一定微观结构的涂层，用以提升表面的润滑性能。

电化学沉积、特别是精密电铸技术在表面微细结构的制备中得到了非常成功的应用。利用金属离子的阴极沉积效应，结合使用导电芯模或绝缘掩摸等，达到选择性沉积的效果，可在基体表面制备出微凸阵列等微细结构[1]。南京航空航天大学的朱获等提出移动掩膜电铸技术，不断向上移动掩膜，并连续进行可电铸加工，可在金属表面制备出具有高深宽比的微细结构[2]。他们利用这种方法，成功制备了特征尺寸为数百微米，高度达到几个毫米且侧壁陡直的微细结构阵列。精密电铸通过离子沉积的方式制备构件，从原理上非常适于微细制造，而且不存在工具损耗与加工作用力等。