激光光致熱塑成型效應及三維微結構制備新方法研究.pdf

1、微納米技術代表著未來科技的發(fā)展趨勢，被越來越多的國家列為優(yōu)先發(fā)展的前沿領域。微納結構與器件制備技術是微納米技術的重要基礎，而激光微加工技術是這類制備技術的一個重要分支。光刻、準分子激光微加工及飛秒激光加工等現(xiàn)有的激光微加工技術，其共同的特點是基于激光對材料表面的刻蝕實現(xiàn)凹進的微納結構加工。為了直接實現(xiàn)凸起的微結構制備，本文首次提出了一種基于激光光致熱塑成型的微結構制備新方法，可實現(xiàn)各種形式及尺寸的點、線、面、體等微結構的實時制備。該方法

2、具有原理新穎、系統(tǒng)簡潔、操作方便、無需掩模、可進行實時制備等特點，不僅具有重要的科學意義，而且在微納米技術等領域具有廣闊的實際應用前景。
　　 本課題首先對激光光致熱塑成型機制進行了完整系統(tǒng)的理論研究，揭示了三維微結構熱塑成型的動態(tài)平衡條件及規(guī)律。分析了激光照射在基底材料表面所引起的光熱效應，建立了表面溫度升高分布的二維數值模型；討論在此溫度分布情況下的物質相變過程，與環(huán)境界面的表面張力方向以及熔體內部環(huán)流的形成，進而導致基底材

3、料表面的微結構光致熱塑成型。進一步研究了熱塑成型過程中的熔體內部環(huán)流變化規(guī)律，揭示了熔體環(huán)流的熔化上升速度與冷卻凝固速度的相互關系；建立光致熱塑成型過程的動態(tài)平衡方程，表明滿足動態(tài)平衡條件是獲得連續(xù)穩(wěn)定成型效果的基礎；分析了制備過程中影響動態(tài)平衡情況的主要因素，并對它們的影響規(guī)律進行了探討。
　　 在理論研究的基礎上，提出和發(fā)展了基于激光光致熱塑成型的微結構制備新方法。圍繞這一方法，本文設計研究了基于光致熱塑成型的微結構制備總體

4、方案。針對熱塑性材料、制備環(huán)境及溫度、熱塑成型時間等微結構成型過程中的重要影響因素，開展了系統(tǒng)的研究，包括熱塑性材料的選擇和制備基底的準備、制備環(huán)境溫度和光致熱塑成型時間的有效控制等；并利用步進掃描控制方法實現(xiàn)基底與激光光斑之間的三維相對位移，以獲得與掃描路徑一致的圖形化微結構，并為制備更為復雜的微結構甚至微器件奠定基礎。
　　 研制了三維微結構的光致熱塑成型制備系統(tǒng)。整個系統(tǒng)主要包括激光及其光路、基底材料、液體環(huán)境及液體池、C

5、CD顯微監(jiān)控單元、步進掃描微動臺以及計算機軟硬件系統(tǒng)。激光光路部分實現(xiàn)制備激光束的輸出和調節(jié)，通過快門進行光束的開啟和閉合控制。當聚焦光斑照射在放置于液體環(huán)境中的基底材料上時，可在光斑處制備得到點狀或柱狀微結構；利用步進掃描微動臺帶動基底相對于激光光斑做橫向平移，即可制備得到各種所需的復雜微結構。為了監(jiān)控激光束的聚焦情況并實時觀測制備成型效果，引入CCD顯微監(jiān)控單元，以獲得基底表面被照射區(qū)域的顯微畫面。激光束的快門控制信號及微結構制備過

6、程中的掃描路徑控制信號，由計算機系統(tǒng)輸出。
　　 利用上述系統(tǒng)廣泛開展了基于光致熱塑成型的三維微結構制備實驗研究，實現(xiàn)了點、柱、線、面、體及其它復雜微結構的制備成型。證明了液體環(huán)境對微結構形貌的決定性影響；進行了半導體激光器與固體激光器兩種光源的制備成型比較實驗，分析了不同光源對微結構制備效果的影響；在不同的熱塑性基底上，黑色聚乙烯塑料可以實現(xiàn)微米級結構成型，而石蠟混合物材料獲得的成型結構在形貌參數上更具優(yōu)勢；實驗探索光致熱塑成

7、型的微結構形貌與激光照射時間的關系。開展柱型微結構的制備優(yōu)化研究，針對提高高寬比和縮小直徑兩種應用需求，分別獲得了高寬比約為8和直徑約為50μm的柱型微結構。進行陣列微結構制備實驗，完成點陣微結構和柱陣微結構的制備成型。在線型微結構制備研究中，分析激光功率和步進掃描速度等主要參數設置對制備效果的影響。進行了復雜微結構的制備實驗探索，實現(xiàn)了多種復雜微結構的光致熱塑成型。
　　 最后對本課題的研究成果進行總結：從理論和實驗兩方面研究