低反射率和超亲水性是提高电子器件性能的理想条件，石墨烯作为一种新型超导材料在电子信息领域得到了广泛的应用。目前实现低反射和超亲水性多依赖飞秒激光对石墨表面进行微结构设计和加工，较高的加工成本限制了其进一步的发展。因此，提出了一种基于皮秒激光的低成本、低反射率石墨表面微结构制备方法。通过实验系统地研究了激光加工参数对石墨表面微观形貌及其反射率和亲水性的影响。结果表明，经激光加工后，具有微结构表面的石墨样品反射率明显降低。此外还实现了样品接触角的有效调控，同时验证了加工后石墨样品表面氧化石墨烯的生成。利用紫外皮秒激光器在石墨表面制备微结构的方法具有高效可控、低成本等优点，为制备表面功能组件方面的潜在应用提供了技术支撑。
皮秒激光 抗反射 表面浸润性 氧化石墨烯 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0514005
中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，安徽 合肥 230026
特殊浸润性表面在众多应用领域都发挥着重要作用，因而它的制备不论是在基础科学研究领域还是在工程实际应用方面都具有重要意义。可加工材料广泛以及擅长微纳结构精细设计的优势使飞秒激光成为一种制备各种超浸润微结构表面的有效工具。本综述系统总结了飞秒激光微加工技术在调控材料表面浸润性方面的研究进展。基于飞秒激光对材料表面微纳结构的设计和改性，可以实现超亲水与超疏水性、超疏油性、水下超疏气与超亲气性、液体灌注超滑表面、水下超疏聚合物性、超疏液态金属性、可调黏滞性、各向异性浸润性、智能可调浸润性等一系列极端浸润性质。这些特殊的浸润性使得飞秒激光作用后的材料获得了一系列实际应用，如防水/防油/防气、自清洁、液滴操控、液体图案化、浮力增强、微小液滴/气泡释放、油水分离、水气分离、防结冰、防腐蚀、水下减阻、水雾收集、微流控、柔性电路/电子器件、细胞工程、生物医疗、海水淡化、表面增强拉曼散射等。最后，本文总结讨论了飞秒激光调控材料表面浸润性技术的突出优势以及当前所面临的挑战。
1 西安交通大学电子与信息学部电子科学与工程学院，陕西 西安 710049
2 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，陕西 西安 710049
3 陕西省信息光子技术重点实验室，陕西 西安 710049
4 西安交通大学机械工程学院，陕西 西安 710049
随着科技的发展，柔性电子器件在医疗健康、柔性机器人以及人机交互领域中的应用越来越广泛。柔性电子器件的关键在于柔性电极材料，传统柔性电极材料如结构化的金属薄膜、金属纳米颗粒/线以及导电聚合物等存在高延展性与高导电性无法同时满足的问题。镓基液态金属作为一种室温下呈现液态的金属材料，具备金属高导电性的同时也具有无限延展性，是一种理想的柔性电极材料，是近年来的研究热点。对液态金属进行图案化处理是制备液态金属基柔性电子器件的必要环节。重点介绍了以浸润性调控的方法实现液态金属图案化的工艺。激光作为一种精密加工方式，被常用来制备各种功能表面，同时也是调控液体浸润性的主要手段之一。结合激光的高精密加工能力与液态金属优异的电学性能，能够实现高分辨率、多功能以及高集成度的液态金属电子器件制备。综述了近年来国内外在激光制备液态金属柔性电子器件方面的主要工作，并展望了未来激光制备高性能液态金属电子器件的前景。
激光技术 液态金属 激光 浸润性 图案化 柔性电子器件 中国激光
2022, 49(10): 1002505
1 吉林大学电子科学与工程学院, 集成光电子学国家重点实验室, 吉林 长春 130012
2 中国空气动力研究与发展中心, 结冰与防除冰重点实验室, 四川 绵阳 621000
受到自然界的猪笼草启发，超滑表面受到了许多关注。本文通过激光加工技术在石墨烯和聚偏氟乙烯的复合材料表面(G@PVDF)进行烧蚀，采用热旋涂法将石蜡材料均匀地填充于网格状沟槽内部。利用共聚焦显微镜(CLSM)和扫描电子显微镜(SEM)表征激光加工后沟槽的形貌与深度，利用UV3600以及红外热成像仪测试样品的光吸收以及光热特性。当复合材料表面未受到强光照射时，液滴“钉”在表面；由于石墨烯具有优异的光热转换能力，当复合材料表面受到强光照射时，复合材料表面吸收光能并产生热量使石蜡融化，液滴与表面由粗糙的气/液/固状态转变为光滑的气/液/润滑剂/固状态，液滴可在倾斜角约10°的状态滑动且无残留。另一方面，通过外界电压也能同样控制液滴的行为。研究结果对于智能化操控液滴有着重要的意义。
1 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 100190
采用纳秒激光一步刻蚀法在泡沫铜上构造了超疏水超亲油表面，并研究了激光加工参数对表面浸润性的影响。分别利用扫描电子显微镜、能谱仪、接触角测量仪对表面形貌、元素、浸润性进行表征，结果表明：泡沫铜表面的粗糙结构会随着激光扫描速度、激光功率、扫描间距的变化而发生显著变化；激光刻蚀后，表面的化学成分也发生了变化，微纳粗糙结构及元素变化的共同作用使泡沫铜获得了超疏水超亲油性，其在空气中的最大水接触角为157.4°，油接触角为0°，对油、水表现出了良好的选择性。制备的特殊浸润性表面可用于油回收，为油水分离及油回收提供了一定参考。
激光技术 纳秒激光刻蚀 泡沫铜 特殊浸润性 油回收 回收效率 激光与光电子学进展
2021, 58(23): 2314004
清华大学材料学院激光材料加工研究中心, 北京 100084
自然界中存在大量具有特殊微纳结构的多尺度表面,如荷叶、水稻叶、玫瑰花瓣、壁虎脚趾、鲨鱼皮、蝴蝶翅膀、昆虫复眼等,这些表面具有超疏水、超亲水、结构色、高敏感性、生物相容性等多种神奇功能。如何人工制备出仿生微纳米结构,从而实现师法自然和超越自然的目标,是材料与制造领域的重大课题之一。超快激光加工是灵活制备微纳米结构的可靠手段,但衍射极限制约了其纳米结构制备能力,且制备效率低下。本团队在过去的10多年中,在拓展超快激光微米与纳米结构制备能力以及仿生微纳结构的功能化方面开展了系统研究,发展了一系列超快激光微纳结构制备与双级精确调控新方法,探索了超快激光制备的微纳结构表面在超疏水、高抗反射、高敏感性和生物医学检测等领域的创新应用。超快激光制备形态多样的微纳米结构并实现仿生功能化是一个富有吸引力的研究方向,但仍然面临着诸如突破衍射极限以实现1~100 nm典型纳米结构的制备、功能化微纳结构的设计与制备以及大面积微纳结构的高效制备等挑战。本文为《清华大学建校110周年之光耀清华》专辑而撰写,旨在总结过去、面向未来,与本领域同仁一起交流探讨,共同推进本研究领域的发展。
激光技术 微纳米结构 特殊浸润性表面 抗反射表面 水分解制氢电极 表面增强拉曼散射 中国激光
2021, 48(15): 1502002
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033；中国科学院大学，北京 100049
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
基于飞秒激光照射的改形控性技术是近些年发展起来的新兴微纳加工技术，其在快速、大面积、周期性亚波长结构的制备上展现出了独特优势。文中利用该技术在氧化石墨烯薄膜表面开展亚波长光栅结构的快速制备，并针对其中的加工机理、形貌变化及其液体浸润性进行了详细研究。通过改变飞秒激光功率和扫描速度等参数，实验获得了具有不同深宽比和表面“粗糙度”的还原氧化石墨烯样品，实现了液体接触角在15°~75°范围内可控的浸润性，并且其接触角在空气中放置20天后平均增加20°。文中的理论和实验结果为飞秒激光微纳加工和改性处理技术的发展奠定了基础，未来有望促进结构化石墨烯衍生材料在液滴收集、微流控等方面的应用。
飞秒激光 还原氧化石墨烯 亚波长光栅结构 表面浸润性 femtosecond laser rGO subwavelength grating structure surface wettability 红外与激光工程
2020, 49(12): 20201064
1 中南大学物理与电子学院超微结构与超快过程湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410083
2 中南大学高性能复杂制造国家重点实验室, 湖南 长沙 410083
水下气体浸润性表面在许多领域都具有重要的作用,近年来受到了各国研究人员的密切关注。飞秒激光微纳制造技术作为一种全新的非接触式加工手段,近年来在调控材料表面水下气体浸润性方面进行了许多探索性研究。总结飞秒激光微纳制造技术在水下气体浸润性表面的最新研究进展,从水下超疏气表面、水下超亲气表面、水下超疏气-超亲气转换以及水下气体运输四个方面进行阐述,最后结合当前的研究状况指出该领域目前所存在的问题以及对前景的展望。
激光光学 飞秒激光 微纳制造 水下气体浸润性 超疏气 超亲气 激光与光电子学进展
2020, 57(11): 111418
1 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室, 陕西 西安 710049
2 西安交通大学电子与信息工程学院, 陕西省信息光子技术重点实验室, 陕西 西安 710049
3 西安交通大学机械工程学院, 陕西 西安 710049
仿生超滑表面由于能抗各种液体甚至动植物黏附,因而具有非常重要的研究价值和广泛的应用前景。飞秒激光微加工技术具有材料普适性强、加工精度高、可控性强等特点,在制备和调控特殊浸润性表面方面具有非常突出的优势。从仿生制造的角度出发,首先介绍了飞秒激光微加工在构建和控制超疏水表面、水下超疏油表面的相关研究进展,分析了其在实际应用中的局限和不足;概述了超滑表面的制备原则及飞秒激光制备超滑表面的工艺方法,系统地总结了飞秒激光制备的各类超滑表面,及其对多种液体和气泡的操控;介绍了超滑表面的一些典型应用;最后总结和讨论了飞秒激光制备超滑表面研究和应用中存在的问题及发展前景。
激光光学 飞秒激光 仿生 浸润性 液体灌注多孔滑动表面 超滑表面 激光与光电子学进展
2020, 57(11): 111413
1 中国科学院 宁波材料技术与工程研究所, 浙江省石墨烯应用研究重点实验室, 宁波 315201
2 郑州大学 材料科学与工程学院, 国家低碳环保材料智能设计国际联合研究中心, 郑州 450001
可以图形化和沉积同时进行的镀膜技术可有效简化器件制备流程, 从而降低成本。本工作研究了一种新型的图形化沉积镀膜技术-微流控法: 将宽度及间隔均为80 μm、沟槽深度为2 μm左右的PDMS模板与衬底贴合构筑微流通道, 毛细力作用下前驱液可在微流通道内流动, 并在衬底表面形成图形化的液膜, 最后经热处理完成图行化的薄膜沉积。此外, 分析了硝酸镍/2-甲氧基乙醇前驱体的热分解过程和不同温度退火下前驱体粉末的相结构演化规律。最终利用微流控法图形化沉积技术制备了图形化的氧化镍沟道, 并构筑了薄膜晶体管器件。优化后的薄膜晶体管表现出典型的p型特征, 场效应迁移率可达0.8 cm2·V-1·s-1。
oxide semiconductors solution method wettability thin-film transistors TG-DTA curves 氧化物半导体 溶液法 浸润性 薄膜晶体管 热失重-差热曲线
