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武漢工程大學的研究人員綜述了飛秒激光制備表面微/納米結構及其應用。相關論文以“Fabrication and applications of surface micro/nanostructures by femtosecond laser”為題發表在《Colloid and Interface Science Communications》上。

隨著加工技術的不斷進步，制造具有獨特表面微/納米結構的材料成為研究的熱點之一。其中，飛秒激光加工作為一種高精度、高效率的制造技術已被廣泛采用。與其他傳統加工方法相比，飛秒激光加工在可控微/納米結構加工方面具有一定的優勢，可制造出多種結構，包括周期結構、微孔陣列結構、三維結構、復合結構等。它們具有光學防偽、防反射、超疏水性能和超親水性能等。本文綜述了飛秒激光加工材料的簡化機理、飛秒激光制備的典型表面微/納米結構以及飛秒激光制備表面微/納米結構的典型應用。證明了飛秒激光制造表面微/納米結構的技術前景和應用潛力。

重點：

1.介紹利用飛秒激光加工制備表面微/納米結構的類型。

2.介紹飛秒激光制備表面微/納米結構的應用。

3.簡述飛秒激光與材料相互作用的機理。

圖1.（a）飛秒激光加工鎳薄膜示意圖。不同激光通量、脈沖和掃描速度下的激光誘導周期性表面結構(LIPSS)：（b）0.17J/cm²，513nm，0.3mm/s；（c）0.25J/cm²，1026 nm，0.5mm/s。(d)飛秒激光輻照Bi₂Te₃的SEM圖像，脈沖能量為3.5μJ至43μJ，脈沖數為100。

圖2.(a)飛秒激光燒蝕PDMS表面的SEM圖像。(b)飛秒激光輻照鋁表面的SEM圖像。(c)飛秒激光燒蝕電極材料制備的微孔陣列的SEM圖像（石墨烯-40的上下表面）。

圖3.(a)飛秒激光輻照鈦表面產生的柱狀陣列。通過（b）化學處理和（c）退火獲得的三維結構。通過飛秒激光微加工和退火，在PMMA表面生成了三種三維圖案：(d)由矩形凹槽連接的兩個凹槽；(e)同心圓；(f)一端部分連接的周期性矩形凹槽。

圖4.(a)飛秒激光處理后PDMS表面的SEM圖像。(b)不同形狀的液態金屬圖案，如樹葉圖案、星形圖案和螺旋圖案。(c)通過飛秒激光燒蝕鈦表面獲得的方形矩陣圖案結構的SEM圖像。

圖5.(a)飛秒激光誘導在鐵基金屬玻璃表面形成光柵孔結構的SEM圖像。(b-c)飛秒激光誘導在鐵基金屬玻璃表面形成的光柵孔結構的AFM圖像。(d)飛秒激光輻照PDMS制備的超疏水表面的SEM圖像。(e）通過飛秒激光去除部分PDMS并燒蝕硅表面而得到的超疏水-超親水混合表面的SEM圖像（黑色箭頭表示超親水，紅色箭頭表示超疏水）。(f）e的局部放大圖。

圖6.(a)從不同方位角（垂直和水平）拍攝的飛秒激光處理過的銅表面的照片和局部放大圖。 (b)變色龍的圖像。(c)變色龍皮膚的高倍放大圖像（與B中的圓圈部分相對應）。(d)仿生變色龍皮膚的全色熒光圖像。

圖7.(a)飛秒激光加工AZO薄膜以形成可提高反射率的納米孔陣列示意圖。(b)原始AZO薄膜的透射率和相對透射率與波長的函數關系，以及飛秒激光加工后AZO薄膜的透射率和相對透射率。(c)飛秒激光誘導和熱氧化黃銅片示意圖。(d)飛秒激光誘導和熱氧化黃銅片表面的照片和相應的SEM圖像。(e)用不同方法加工黃銅片后反射率的變化示意圖。

圖8.(a)利用飛秒激光在硫系玻璃As₂Se₃上制作微透鏡陣列的過程示意圖。(b)簡化的紅外光學成像裝置。(c)利用飛秒激光輻照As₂Se₃制備的微透鏡陣列的光學顯微鏡圖像。(d)利用飛秒激光輻照As₂Se₃制備的微透鏡陣列的SEM圖像。(e)利用飛秒激光輻照As₂Se₃制備的微透鏡陣列的三維輪廓圖像。

圖9.(a)飛秒激光在PI薄膜上制備的超疏水和超親水表面示意圖。(b)飛秒激光制備MSR的示意圖和MSR的理論表面形貌。(c)MSR的工作原理示意圖，其中MSR可在磁場作用下進行液滴轉移。

圖10.(a)實驗裝置中的MDS示意圖。(b)傳統傳感器與超多孔基質MDS的溶解氧信號對比。(c)未加工的泡沫銅和(d)激光處理過的泡沫銅的SEM圖像。

圖11.(a)柔性襯底上不同連接類型的集成石墨烯超級電容器(GNSC)示意圖。(b)GNSC在電壓掃描速率為 25 mV/s時的CV結果。(c)電流密度為0.5mA/cm²時GNSC的GCD結果。(d)CuO/Cu超級電容器的制備工藝示意圖。

飛秒激光表面微/納米結構制備技術是一種利用飛秒激光的超快時間和高能量密度在材料表面制備微/納米級結構的前沿制造技術。由于其精度高、效率高、適應性強，該技術在許多領域都有廣泛的應用前景。本文討論了微/納米結構在日常生活中的應用，包括防偽、防反射、透鏡陣列、超疏水/超親水、化學傳感和電容儲能等。盡管已有大量的科學研究和應用，但利用飛秒激光加工制備微納結構仍需要科學家對其未開發區域進行研究，例如，如何“疊加”利用飛秒激光制備的微/納結構的功能特性。可以預見，隨著科學技術的不斷發展和進步，這項技術在未來幾年將得到更廣泛的應用和推廣，并取得更大的突破，為各領域的創新和發展提供新的機遇和挑戰。