[发明专利]基于飞秒激光退火处理的钛表面多晶结构形成方法及系统

说明书

本发明提出了一种基于飞秒激光退火处理的钛表面多晶结构形成方法及系统，属于飞秒激光应用领域。本方法首先通过两步电化学阳极氧化法制备了无定形二氧化钛纳米管阵列，然后基于超快激光诱导材料非熔化相变的原理，利用整形得到的超快激光递减脉冲序列实现了二氧化钛纳米管阵列的局部可控退火，并分别实现了锐钛矿纳米管阵列和金红石纳米晶的制备。进一步实现了任意微米级精度图案化的金红石、锐钛矿二氧化钛结构制备。与传统方法相比，本发明具有能量利用率高、晶型转变速度快、可实现微米级精度局部可控退火等优点，为制备具有更高催化效率的光催化剂和太阳能电池提供了一种可行的方法。

技术领域

本发明涉及一种基于飞秒激光退火处理的钛表面多晶结构形成方法及系统，属于飞秒激光应用技术领域。

背景技术

随着全球经济的快速发展和人口的不断增加，人类对于能源的需求也越来越大。过去 50年，全球能源需求增长了2倍，未来30年可能再次增加3倍。与此同时，工业化也造成了污染物和温室气体的大量排放。能源危机和环境污染已成为人类社会目前面临的两大挑战。而每年太阳所产生的总能量是目前全球一年能量消耗总量的1400多倍，利用太阳能是解决能源问题的重要途径之一。

在太阳能利用方面，二氧化钛因低成本、高稳定性、无毒性及良好的光催化性能而成为理想的光催化半导体之一。其中，通过电化学阳极氧化制备的二氧化钛纳米管阵列与传统的多晶二氧化钛纳米颗粒相比不仅具有更大的比表面积，还为光电流提供了单向通道，减小了二氧化钛纳米粒子之间的边缘势垒，极大的促进了自由电子空穴对的分离和光催化效率。

然而，为了获得高的光催化性能，必须对电化学方法制备的二氧化钛纳米管阵列进行退火处理使其转变为锐钛矿晶型的二氧化钛。该过程一般在马弗炉中完成，存在能耗高，耗时长，且无法实现在局部图案化区域内退火。

近年来，多晶二氧化钛结构也受到人们的关注。这是由于二氧化钛的另一种晶型金红石可以增大对入射光的散射并在两种晶型的连接区域进一步促进自由电子空穴对的分离

因此，锐钛矿纳米管阵列和金红石纳米晶间隔分布的多晶二氧化钛复合结构对提高光催化效率具有重要的意义。而到目前为止，利用传统方法只能实现材料整体退火，制备基于二氧化钛纳米管阵列的微米级多晶二氧化钛结构仍是一个挑战。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于飞秒激光退火处理的钛表面多晶结构形成方法及系统，通过将传统的飞秒激光整形为具有不同能量通量的飞秒激光递减脉冲序列，诱导无定形二氧化钛纳米管发生非熔化相变，在低能量通量下得到锐钛矿，在高能量通量下得到金红石。进一步利用平移台实现任意微米级精度图案化的锐钛矿、金红石二氧化钛结构制备。

本发明提出的基于飞秒激光退火处理的钛表面多晶结构形成方法，包括以下步骤：

(1)利用两步电化学阳极氧化法，在钛片表面制备无定形二氧化钛纳米管阵列，过程如下：

(1-1)将钛片依次放入乙醇和去离子水中超声清洗三遍，烘干待用；

(1-2)配制体积浓度为2％的乙二醇水溶液，在乙二醇水溶液中加入质量分数为0.5％的氟化铵，得到乙二醇电解液；

(1-3)利用步骤(1-2)的乙二醇电解液，以步骤(1-1)的钛片为阳极，铂网为阴极，进行第一次阳极氧化，第一次阳极氧化的温度为23℃，电压为40V，时长为2小时，得到表面长有二氧化钛纳米管阵列的钛片；

(1-4)将(1-3)得到的表面长有二氧化钛纳米管阵列的钛片置于去离子水中超声清洗，去除钛片上的二氧化钛纳米管阵列，得到表面具有凹坑阵列结构的钛片；