[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

摘要

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。

主权项

1.一种基于飞秒激光退火处理的钛表面多晶结构形成方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(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；(1‑5)利用步骤(1‑2)的乙二醇电解液，以步骤(1‑4)的钛片为阳极，铂网为阴极，进行第二次阳极氧化，第二次阳极氧化的温度为23℃，电压为20V，时长为1小时，在钛片表面得到二氧化钛纳米管阵列，该二氧化钛纳米管阵列与步骤(1‑3)中得到的二氧化钛纳米管阵列相比更加整齐、致密；(1‑6)将步骤(1‑5)的钛片置于去离子水中清洗、烘干备用；(2)将飞秒激光的单脉冲在时域上整形为包含2～5个子脉冲的飞秒激光递减脉冲序列，相邻子脉冲之间的能量比为3:2～3:1，时间间隔为0～500fs；(3)在步骤(1)的表面带有无定形态二氧化钛纳米管的钛片表面的设定区域内，利用步骤(2)的飞秒激光脉冲序进行扫描，使入射到钛片上的二氧化钛纳米管表面的飞秒激光递减脉冲序列总能量通量为二氧化钛烧蚀阈值的0.2～0.4倍，得到钛片表面的锐钛矿型二氧化钛纳米管结构；在设定区域外的其他区域进行扫描，使入射到钛片上的二氧化钛纳米管表面的飞秒激光递减脉冲序列总能量通量为二氧化钛烧蚀阈值的0.6～0.8倍，得到钛片表面的金红石型二氧化钛纳米晶结构，使同一块钛片表面同时具有锐钛矿纳米管阵列和金红石纳米晶的多晶二氧化钛结构。