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58 材料工程/2011年12期 多光子纳米加工中激光扫描条件对 金属微纳结构的影响 EffectsofLaserScanningConditionsonMetallic Micr0/NanostructuresinMultiphotonNanofabrication靳 伟,董贤子,赵震声,段宣明 (1中国科学院功能晶体与激光技术重点实验室, 北京100190;2中国科学院研究生院,北京100190) — — — JINWei,DONGXianzi,ZHAOZhensheng,DUANXuanming (1KeyLaboratoryofFunctionalCrystalsandLaserTechnology, ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China; 2GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences.Beijing1O0190。China) 摘要:研究了飞秒激光多光子还原制备银微纳结构技术中激光扫描条件对金属微纳结构与形貌的影响。结果表明:增 加激光扫描点间距d可获得较小线宽,延长曝光时间t使线条变宽,增加扫描次数N可使金属微纳结构表面银纳米粒子 熔融凝固成较大尺寸颗粒及块状物。 关键词:多光子纳米加工;多光子光化学还原;金属微纳结构 中图分类号:TN203 文献标识码:A —— 文章编号:10014381(2011)12-005805 — Abstract:Theinfluencesoflaserscanningconditionsonthesilvermicro/nanostructuresinmultipho — tonphotoreductionofmetallicmicro/nanostructuresandmorphologyusingfemtosecondlaserwerein vestigated.Theresultsindicatedthatincreasingthedistancebetweenscanningpoints()couldmake — thewidthoflinesbecomesmallerandextendingtheexposureoftime()couldmakethelinesbroade ning.Furthermore,theincreasingofscanningtimes(N)ledtotheformationoflargesilverparticles andlumpsonthestructuresduetothefusionofsilvernanoparticleswhichonthesurfaceofmetallic micro/nanostructures. Keywords:multiphotonnanofabrication;multiphotonphotoreduction;metallicmicr0/nanostructure 作为激光直写加工技术之一的多光子加工技术近 年来获得了飞速的发展口]。多光子加工技术是基于光 学非线性效应之一的多光子吸收原理,利用多光子吸 收具有阈值效应这一特点,通过加工激光功率的控制, 使所加工材料产生多光子吸收的范围控制在亚波长范 围,从而达到实现纳米尺度加工的目的。KawataSE] 利用波长为800nm的近红外飞秒激光作为加工光源, 以光刻胶作为加工对象材料,首次突破衍射极限,实现 亚波长尺度加工以来,多光子纳米加工技术受到广泛 重视,国内外科学家开展了大量的研究工作,已实现了 “ 50nm的加工分辨率[3]。与此同时,多光子纳米加工 技术所具备的三维微纳结构加工能力,使其在三维微 纳器件[5],微纳机电系统_7],微纳流控系统[9等微 纳技术领域具有独特的优势与应用前景。 进行功能材料的多光子微纳结构加工是实现功能 性微纳器件的关键所在。目前,在利用光刻胶制备各 种二维及三维微纳结构的同时,也开展了基于聚合物 材料的各种功能性三维微纳结构的多光子加工研 究[1],已制备出了各种光子学器件口。和微流控 系统口。利用多光子纳米加工技术制备金属微纳 结构的研究也受到了重视,已利用双光束干涉多光子 光化学还原加工技术制备出了金纳米线阵列结构口, 利用激光扫描多光子光化学还原加工技术制备出了金 属银门形结构和倾斜立圆柱等微尺度三维结构口]。 曹耀宇L2等在AgNO。水溶液中加入表面活性剂控 制金属银纳米粒子尺寸,通过激光扫描多光子光化学 还原加工技术获得了线宽120nm的银纳米线结构,并 制备出了直径为180nm的银柱和三维金字塔结构。 上述金属微纳结构均是由连续的金属纳米粒子所组 成,其松散的结构可能导致微结构力学性能及电学性 多光子纳米加工中激光扫描条件对金属微纳结构的影响 59 能的降低。通过激光加工条件的优化,有可能使金属 微纳结构获得进一步的改善,提高其力学及电学等特 性。但是,目前尚未对激光扫描多光子光化学还原加 工技术中激光扫描条件对金属微结构的尺度与形貌的 影响进行详细研究。本工作采用逐点扫描的方式研究 了多种激光扫描条件对金属微纳结构的影响,探讨了 激光扫描多光子光化学还原加工技术制备金属微纳结 构中激光加工条件对金属微纳结构尺寸与形貌的影响 与控制。 1实验 由硝酸银与氨水生成的银氨络离子水溶液作为光 化学还原金属银的前驱体,样品中加入乙醇,添加柠檬 酸钠(Na。CHO)作为表面活性剂以达到对多光子 光化学还原反应所获得的金属银纳米粒子尺寸进行控 制的目的,加入对一N,N一二甲基苯乙烯基吡啶对甲苯 —— 磺酸盐(trans一4一[4-(dimethylamino)一Nmethylstilba— zolium ̄Ptosylate,DAST)作为光敏剂以提高样品双 光子吸收效率。样品制备中所使用的化学原料均为化 学纯试剂,使用前未进行处理。将上述原料按表1所 示进行化学计量,混合后获得银氨络离子浓度为 0.07mol/L,脂肪酸钠的浓度为0.09mol/L的水溶液作 为进行多光子光化学还原制备金属微粒结构的样品。 表1样品的组成 Table1Componentsofthesample 利用自主研制的《纳米光子学超细微加工系统》进 行多光子光化学还原金属微纳结构制备实验_5]。该系 统采用波长为780nm,重复频率为80MHz,脉冲宽度 —— 为lOOfs的钛宝石飞秒激光器(SpectraPhysics,Tsu nami)作为多光子激光加工用光源。激光束经显微物镜(100× 1.4)聚焦后,入射到盛有上述含有银氨络离 子水溶液的玻璃样品池内部,以进行多光子还原反应, 制备金属微纳结构。实验中使用二维振镜(Scanlab, HurrySCAN14)及一维Z轴压电微移动台(PI,P一 622.ZCL)对激光焦点位置进行控制,采用逐点扫描方 式_3进行金属微纳结构制备。当入射到样品池中的激 光能量超过一定阈值时,激光焦点处出现被还原的银 纳米颗粒,在激光焦点位于样品池玻璃表面时,所还原 出的银纳米粒子被沉积在样品池玻璃表面,形成金属 银微纳结构。本研究中所使用的激光束在进入显微物 镜前的平均功率均为4roW。激光加工实验完成后,用 乙醇对样品进行冲洗,去除未反应的样品后即可得到 所制备的金属银微纳结构。采用扫描电子显微镜对所 制备的金属银微纳结构进行形貌观察,并测量金属银 微纳结构的相关数据;利用计算机程序控制激光焦点 及扫描条件,以考察激光扫描点间距(d),激光扫描点 曝光时间(£)以及激光扫描次数(N)等加工参数对金 属银微纳结构的影响。 2结果与讨论 2.1逐点扫描点间距d对金属银微纳结构的影响 固定每一扫描点的曝光时间t为lgms,在扫描点 间距d为17,2O,23,27nm的条件下进行一次激光扫 描,以获得金属银线。加工后所获得的金属银线的扫 描电镜照片如图1所示。可以看出,所获得的金属银 线由尺寸数十纳米的金属银纳米粒子组成,其表面形 貌相似。图2为金属银线的线宽与激光扫描点间距d 的关系图,可以看出,金属银线的平均线宽随激光扫描 点间距d的增加而呈线性减小,从d一17nm时的 507nm,逐步减小到d===27nm时的445nm。在加工相 同长度金属银线时,进行单位长度所需激光扫描的总 曝光时间随激光扫描点间距d不断增大而减小,即曝 光量随激光扫描点间距d增大而减小,所能够还原出 的金属银的原子数亦随之不断减小,导致金属银纳米 粒子的沉积量减小。激光束通过多光子光化学还原反 应在水溶液中所获得的金属银纳米粒子受到激光束的 光压作用而聚集,沉积为金属银线。在激光扫描点间 距d增大的情况下,溶液中被还原出的金属银纳米粒 子数量较少,导致在激光束作用下沉积出的金属银线 线宽减小。 2.2逐点扫描曝光时间t对金属银微纳结构的影响 采用固定激光扫描点间距d,改变每一扫描点曝 光时间t的方法,考察了所制备的金属银线的线宽及 形貌。图3是在固定激光扫描点间距d为23nm时, 采用不同曝光时间t所获得的金属银线的SEM照片。 可以看出,随着每一扫描点曝光时间t的延长所还原 出的金属纳米粒子的数量有较大幅度的增加,金属银 线的线宽亦随之变宽。同时,随着曝光时间t的增加, 所制备出的金属银线的致密程度增加。图4是金属银 线线宽与曝光时间t之间的关系。可知,金属银线的 线宽随曝光时间t的增加呈线性增加趋势。在曝光时 间一12ms时,金属银线的线宽为318nm。而当曝光 时间t延长到21ms时,金属银线线宽达到479nm。以 62 材料工程/2011年12期 亘\ e- 董 言 曼 [11] [12] [13] 图6金属银线线宽与N之间的关系 Fig.6Re1ationshipbetweenthewidthandN。fsilverlines E14] 为较大的颗粒及块状物。可作为金属纳米粒子聚集体 的激光后处理技术进行应用,获得微纳尺度连续金属 _1[] L J 结构,以提高其强度和导电性等性能。 [1] [2] [3] [4] E5] [6] [7] [8] [9] [102 参考文献 董贤子,陈卫强,赵震声,等.飞秒脉冲激光双光子微纳加工技术 — 及其应用[J].科学通报,2008,53(1):113. 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