[发明专利]透明材料内部集成三维导电金属微纳结构的方法

说明书

本发明公开了一种透明材料内部集成三维导电金属微纳结构的方法，先利用飞秒激光微加工技术在透明材料内部制备出三维微通道，然后通过蠕动泵将化学镀液连续传输通过微通道进行通道内部的表面改性及金属沉积，进而实现透明材料内部集成三维导电金属微纳结构。本发明制造的集成型三维导电金属微纳结构具有空间形状可任意设计，尺寸可调，高电导率，高熔点的特点，在微电子器件，光电子器件，微纳电机系统等高技术领域具有很大应用前景。

技术领域

本发明涉及三维金属结构制造和飞秒激光微加工，特别是一种利用飞秒激光微加工和流动化学镀结合在透明材料内集成三维导电金属微纳结构的方法。本发明适用于在各种透明材料如玻璃、晶体和透明聚合物等内部集成三维导电金属微纳结构。

背景技术

三维金属微纳结构集成了金属和三维微纳结构的特性，目前已在微电子学，光电子学，生物医学等领域展示很大的应用潜力。基于上述特性，人们探索在芯片上集成三维金属微纳结构增强芯片的功能性和主动调控能力，以实现芯片上特定区域和位置上高效快速的电子学控制，电磁学操控及激励，特征光谱增强等。与二维金属微纳结构相比，片上集成三维金属微纳结构在三维空间上可提供更强，更均匀的局域性电磁场控制和更灵敏的目标信号探测。譬如片上集成三维金属微线圈可被用于高精度测量和探测微区的磁场，高通量电磁操控生物芯片目标样品，以及高灵敏度微核磁共振谱测试等。但是要实现片上高效快速复杂集成任意形状三维金属微纳结构，对于当前的微纳制备技术是个很大的挑战。多层光刻技术与电镀技术结合可以制备出三维金属微纳结构，但是存在步骤繁杂，空间几何构型设计灵活度不高的缺憾。因此，寻求一种灵活，可设计的片上集成三维金属微纳结构的三维微纳制备技术具有很大的需求。飞秒激光由于其超高的峰值功率和超短的脉冲宽度，对透明材料如玻璃，晶体和聚合物等具有独特的三维加工能力。利用飞秒激光可在透明材料内部实现三维任意形状的微结构制造。特别是对于玻璃材料而言，利用飞秒激光辐照以及后续湿化学腐蚀可实现三维空心微通道结构的灵活制造。人们尝试用对制造的三维空心微通道结构通过注入低熔点金属进行微固化的技术（参见文献：A. C. Siegel, et al.,Advanced Materials 19 (2007)727–733；K. Liu, et al., MicroelectronicEngineering 113 (2014) 93-97）实现真三维金属微纳结构的制备。但是固化的低熔点金属在通电后因焦耳热效应很容易熔融，变得不连续，影响器件使用的稳定性，很大程度上限制了微固化技术的器件化应用场合。因此，寻求一种稳定可控且灵活度高的三维金属微纳结构集成方法具有必要性和迫切性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有在透明材料内部集成三维导电金属微纳结构所存在的金属微纳结构使用稳定性，金属结构空间几何构型不灵活，精度受限等缺点，提供一种在透明材料内部高效、快速、三维形状设计，可稳定牢固工作等三维金属微纳结构集成方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种在透明材料内部集成三维导电金属微纳结构的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

步骤1：飞秒激光辐照

将透明材料样品固定在一台三维可计算机编程位移平台上，通过显微物镜将飞秒激光聚焦在所述的透明材料样品上，按计算机编程驱动位移平台运动同时启动飞秒激光辐照过程，在所述的透明材料样品中直写出所需要的三维微通道图案；

步骤2：化学腐蚀

将飞秒激光辐照后的透明材料样品放入化学腐蚀溶液中，对所述的三维微通道图案进行化学腐蚀，进而在透明材料样品内部获得具有三维几何构型的微通道结构；

步骤3：连续流动化学镀