飞秒脉冲激光双光子微纳加工技术及其应用

激光加工技术作为重要的先进制造技术之一已广泛应用于众多的工业制造领域. 利用激光直写技术进行材料加工时, 其所能达到的加工分辨率一直受到经典光学理论衍射极限的限制, 难于进行纳米尺度的加工. 飞秒脉冲激光的出现不仅为研究光与物质相互作用的超快过程提供了手段, 也为发展先进的微纳米加工技术提供了不可多得的光源. 近年来, 作为最新的激光加工技术之一的飞秒脉冲激光多光子微纳加工技术已成为国际上研究的热点. 该技术利用多光子效应和激光与物质作用的阈值效应, 成功地实现了纳米尺度的激光直写加工分辨率, 可望在功能性微纳器件制备等纳米技术领域发挥重要作用, 具有广阔的应用前景. 在2001年日本科学家利用飞秒脉冲激光双光子聚合技术首次突破衍射极限获得120 nm的加工分辨率后, 最近我国科学家实现了15 nm线宽的纳米尺度加工分辨率. 在利用多光束并行加工技术进行快速、大批量微纳结构加工的同时, 最新发展的多光束组合技术实现了多部件组合加工、一次成型, 解决了微尺度零部件组装难题, 为微纳尺度器件及微机电系统的开发提供了具有实用化前景的加工方法与途径. 利用飞秒脉冲激光双光子微纳加工技术的高精度、良好的空间分辨率和真三维加工能力的特点, 各国科学家制备出了各种微尺度光子学器件及微机电系统, 充分展示了该技术的应用前景. 随着对飞秒脉冲激光与物质相互作用机理、加工技术及相关材料技术的深入研究, 飞秒脉冲微纳加工技术必将获得快速发展, 并在先进纳米制造领域获得新的突破.     

自然的灵感“偶遇”先进制造技术

<正>大自然是世界上最伟大的"设计师"和"工程师",经过数亿年的进化,自然界的生物通过自身功能结构的不断演变和优化,展示了独特的生物特性.出淤泥而不染的荷叶、阳光下五彩斑斓的彩蝶、擅长攀岩的壁虎脚、广角侦察的蜻蜓复眼,这一系列巧夺天工的设计和制造均出自大自然之手.人类对这些生物功能的好奇与神往,驱使研究者对这些功能独特的生物材料展开了细致的研究,并逐渐揭开了自然界生物材料神秘的"面纱",研究证实微纳尺度的多级结构被认为是产生上述独特功能的关键.如今,人们已经对各类生物材料的微纳结构与化学组成有了很深的认识,并试图通过微纳制造技术赋予人造材     

编者按

在过去的20年间, 微米和纳米尺度上表面结构的微加工或图案化及其相关性质的研究逐步成为热点问题. 许多现代技术发展的机会都来源于新型微观结构的成功构造或现有结构的小型化. 在集成电路、信息存储器件、微机电系统、小型传感器、微液流器件、生物器件和微型光学元件等领域中, 更快响应速度、更廉价成本、更低能耗和更优性能的实现就是得益于迅速发展起来的微加工或图案化技术. 与此同时, 微加工技术的持续发展也为微观和介观范围内所发生的物理、化学和生物现象的研究提供了契机. 在所有的纳微有序结构或表面图案结构的应用中, 构筑方法对于实现结构的最终应用是最为重要的前提条件. 而随着对有序结构材料的性能及图案化尺寸、精度等要求的提高, 在前人工作的基础上, 人们不断加以改进和拓展, 研发了一系列新的方法. “聚合物有序微结构组装”专题以评述的形式对近年来与此相关的新技术和新成果予以简要介绍.     

功能生物界面的“微纳尺度构建-功能-力学耦合”机制

功能生物界面由于其呈现出的独特功能引起研究者的极大兴趣,而微纳尺度结构是其关键结构基元,它们是界面特定功能的内在本质.然而直到目前描述刻画特定功能的整个形成过程依旧困难.越来越多的证据开始支持功能生物界面上的"微纳尺度构建-功能-力学耦合"的论点.本文重点介绍不同微纳尺度复合功能生物界面上的"形貌和力学耦合行为",以获得对微米纳米复合结构更好的理解.还介绍了自然界中生物体表气/液/固三相生物界面的"形貌-力学耦合行为",生物体内微纳尺度的"形貌-力学耦合行为",微纳尺度人工界面上活细胞的"形貌-力学耦合行为"和微纳尺度形貌、界面曲率与力学微环境的最新研究进展,并提出了一些新的概念,如"基于空间曲率的形貌-力学耦合行为"、"医学功能生物界面"和"生物力药理学"等.     

导电微纤维的微流控制备及其在柔性电子领域的应用

柔性电子是一种新兴的电子技术.近年来,随着电子材料研究的深入,柔性电子已成功地与多个学科领域结合,成为跨学科研究的热门领域之一.与传统的刚性电子产品相比,柔性电子在轻便性、生物相容性、可穿戴性、机械稳定性和灵活性等方面展现出极大的优势.而纤维材料作为柔性电子系统的基础结构之一,其具有质量轻、机械柔韧性好、功能性多样的优点,在柔性电子膜、纺织品、可穿戴设备等多个行业中发挥着重要作用.在多种纤维制备方式中,微流控可以实现对微通道流体的精准操控,被证实可以实现多样化结构微纤维的制备.随着理论研究的深入和技术工艺的革新,微流控技术被认为是一种经济而有力的用于制造柔性导电微纤维的工具,并推动了其在柔性电子器件如传感器、储能器等方面的应用.因此,本文首先总结微流控纺丝技术在导电微纤维制备领域的研究进展,包括实心结构、核壳结构及多组分结构微纤维的制备;然后,重点介绍导电微纤维在传感、能量存储、组织工程等柔性电子领域的应用进展;最后,针对导电纤维用于柔性电子领域将面临的挑战和发展方向进行展望.     

蓬勃发展的微纳米加工前沿技术——激光微纳制备

正微纳结构化材料是指在功能材料中引入微纳米尺度结构,以提升功能材料性能和拓展其新功能.功能结构的微纳米化不仅意味着能源与原材料的节省,而且带来多功能的高度集成和生产成本的大大降低.实现材料微纳结构化的基础是先进的微纳米加工技术,从晶体管到集成电路,从微电子到微机械与微流体,从微米技术到纳米技术,微纳米加工技术获得     

飞秒激光直写在玻璃内部制备多功能集成器件

飞秒激光脉冲具有极高的峰值功率和极短的脉冲宽度,与物质相互作用时呈现出强烈的非线性效应,使其可以深入透明介质内部,以超越光学衍射极限的精度对材料进行三维微加工.除此之外,飞秒激光三维直写技术具有高度的灵活性,即可以在单一芯片上制备并集成多种不同功能的微纳结构.这些特性使该技术迅速发展成为微制造领域的研究热点,在微流体、微光学、光电子学以及光量子芯片制备与集成等领域表现出广阔的前景.但还有一些问题限制飞秒激光直写技术的进一步发展,比如加工通道的尺寸和长度限制、较高的加工表面粗糙度等.针对这些问题,本文重点介绍了在玻璃中制备三维微纳流体通道以及高品质光学微腔的最新进展.     

微尺度下台阶结构对气泡的约束作用及临界失效体积

利用微气泡的特殊性能的微流体器件因其独特的优势而受到越来越多的关注,其中很多情况下,器件功能的实现要求气泡必须被约束住从而可控地生长或收缩.表面张力是微尺度下一种造成气泡偏移的重要因素,对台阶结构阻碍气泡因表面张力而发生偏移的作用进行了研究.制作了底部布置有电极的台阶试件,并进行了水中电解的实验,观察了微气泡的生长过程.实验观察证实了台阶的约束效果,同时也发现了约束失效的现象.在数值模拟和分析的基础上提出了台阶约束的临界失效体积,并针对二维气泡模型给出了临界体积的解析解.使用台阶结构可以通过设计合理的台阶高度来简便地实现对所需体积的气泡的约束.     

南海西南陆坡区沉积物粒级指标的物源特征及古环境意义

采用激光粒度仪分析了NS93-5柱中的沉积物高精度粒度特征, 结合微体古生物类群的实验统计结果以及微量元素和碳酸钙含量等测试资料, 讨论深海沉积物的主要粒级指标及其与微体古生物化石壳体组成和陆源输入的关系, 为揭示深海沉积物的基本组成特征及其指示的古海洋环境做了新的探索. 结果显示: 深海沉积物的粒度特征一定程度反映了物源属性与组成结构, 各个粒级指标的大小范围含量与对应的微体古生物类群丰度和陆缘指标之间存在着明显的相关关系, 其中<2 μm粒级代表陆源物质和>5 μm粒级主要由各类微体古生物壳体所构成(火山灰夹层除外), 中值粒径(MD)可作为微体生物的古生产力或古生态动力特征的参考替代性指标. 这些粒级指标的综合分析结果较好地反映了古海洋生态的重要特征, 表明晚更新世以来南海西南陆坡区的微体生物发育与陆源输入呈负相关关系, 且与冰期和间冰期的全球气候变化不完全对应, 而是表现了该海区的特殊性.     

东北四龙湾玛珥湖现代硅藻氧同位素组成与水体温度的热力学分馏特征

硅藻氧同位素已日益成为重要的定量古气候研究手段,但在我国仍处探索阶段.选取东北四龙湾玛珥湖进行了为期2a的湖泊监测、样品收集和现代硅藻氧同位素研究,为该玛珥湖定量化古气候记录研究奠定基础.逐步氟化条件实验表明,我们已完全具备和掌握了硅藻氧同位素研究的实验设备和技术方法.现代硅藻样品的氧同位素结果显示,在3.6～24℃的水体温度区间硅藻氧同位素与生长温度存在着线性分馏关系,分馏梯度为–0.185‰/℃～–0.238‰/℃,与近年来不同水体、不同地区、不同种属以及实验室培养硅藻的研究结果有良好的一致性,揭示了硅藻壳体氧同位素的分馏效应主要受控于生长温度.四龙湾表层和底层沉积硅藻氧同位素的对比研究发现,二者存在一定的差别,可能与不同深度沉积过程的差异以及硅藻来源差异有关.     

飞秒激光制备仿生疏水微柱阵列应用于液滴操控

仿生功能表面的制备是目前研究的热点,尤其是仿生疏水表面的制备.常用的制备方法包括等离子刻蚀、光刻等,制备过程较为复杂.本文基于飞秒激光微纳加工和模板转印技术,提出了一种制备疏水微柱阵列的简单策略,系统地研究了结构参数、表面化学修饰和润湿性之间的关系.研究发现,直径、间距和高度等结构参数对微柱阵列表面的润湿性影响较大.当微柱间距由400μm增加到600μm时,液滴滑动角从31°增加至76°.当微柱直径从100μm增加到300μm时,液滴滑动角也会相应地从40°增加到80°.微柱阵列的表面黏附性随着结构参数(直径、间距、高度)的改变而发生变化.基于这种特性,我们设计了一种具有不同间距的微柱阵列,用来实现液滴滑动行为的控制,同时还可以实现液滴微反应等应用.这种制备方式不仅操作简便,而且适用性广,在微流体芯片、生物医学和化学微反应等领域具有潜在的应用价值.     

基于微丝的PDMS微流动通道制作技术

微流动通道是微流控芯片的重要组成部分, 其加工技术的每一步进化或简化一直为国际学术界与工业界所重视. 提出了一种基于微丝的PDMS微流动通道制作技术. 该技术利用一些简单的模具辅助固定和布置微丝, 然后将PDMS预聚物浇注于模具中浸没微丝并固化, 固化后抽出微丝形成PDMS微通道或通道阵列, 在与通道垂直的方向上打孔并封装, 形成与通道外部物质交换的接口. 实际制作通道时可采用商用化的金属微丝(如不锈钢微丝), 直径从100~20 μm不等. 较为详细地介绍了利用这种技术来构建多种拓扑结构的二维或三维通道或通道阵列, 例如直通道、交叉通道、弯曲通道等的能力. 进一步, 基于金属微丝的电磁特性, 这样的微通道制作工艺还被应用来构建出适于电磁控制和温度控制的微流动通道装置. 最后, 通过圆截面微通道的光路分析、微通道内粒子流动的图像测速(Micro-PIV)与微液滴形成实验及分析进一步印证了这种微流动通道制作技术的可行性和适用性.     

单根铜纳米线在超高悬空微动电极上的微滴定介电泳装配研究

研究单纳米线拉伸动态特性及原子链拉伸的制造,掌握其在拉伸状态下的动态特性变化和单原子链状态下的特殊性质以向原子器件制造方向发展,是目前纳米科学的前沿研究课题之一.但目前没有一套有效的方案来实现将单根纳米线置于可拉伸的微动机构上进行拉伸,制约了该方向的发展.本文借助微电子机械系统(MEMS)技术制造的纳米线拉伸特殊微动机构芯片进行研究,并针对特殊微动芯片悬空电极极度超高且亲水性好,而无法依靠常规介电泳工艺实现纳米线装配的特殊难题,使用了六甲基二硅氮烷进行了疏水处理的方式解决.同时研制出了特殊的微滴定介电泳实验平台与技术工艺,实现单根纳米线在极超高微电极上的有效精确装配,为最终实现纳米线的拉伸及原子链拉伸制造研究迈出最关键的一步.为了指导微滴定介电泳装配单根纳米线的实验,利用有限元方法对微滴定介电泳进行了仿真计算与分析.     

南沙群岛及邻近海区的微体生物与环境研究

由中国科学院组织的南沙综合科学考察队近10年来在我国南沙群岛及其邻近海区进行了包括地球科学各个领域的综合考察,取得丰硕的科学研究成果。其中的微体生物(包括微体古生物及其现代类群)研究中,共分析了177个站位的表层样和7个岩芯柱的937个分层样(图1),开展了包括有孔虫、介形类、放射虫、苔藓虫、腹足类、双壳类、硅藻、沟鞭藻、孢粉和钙质超微化石(颗石藻)等10个大类群的分析研究工作,几乎涉及微体生物的所有门类。该项成果以分类学研究为前提,讨论它们的现代区系特征、生态特征和沉积埋藏特征,进而分析微体生物各浮游类群和底栖类群分布与海洋环境的关系,从中总结和归纳可作为指示环境变化的指标;在此基础上进一步分析柱状样品,依据各柱状样包含的晚第四纪以来微体生物组合与演     

石墨烯导电墨水研究进展:制备方法、印刷技术及应用

传统印刷技术与微电子制造的交叉技术——印刷电子技术的发展得益于微纳米材料制备技术的成熟.二维纳米碳材料石墨烯由于其独特的结构和突出的性能,可与传统金属或高聚物材料共同作为导电墨水主要导电组分.本文讨论了目前石墨烯导电墨水制备中的关键问题、不同制备方案及其优劣之处;评述了石墨烯导电墨水印刷工艺的研究进展,包括传统印刷技术和新型印刷技术中的应用与难点.最后,总结了石墨烯导电墨水在柔性功能器件(基本电路元件、能量存储和力学/化学传感器件等)中的应用现状.     

高分子微/纳米图案化

高分子微/纳米图案在纳米科学和技术中具有特殊的意义. 单个大分子本身就是纳米微粒, 又有多层次的结构和构型、可调控的结构单元和链长、共聚和共混等, 这些都可导致内容丰富的微/纳米图案; 聚合物特有的物理性能不仅可使多种现成的微制造技术更易实现, 也可用来开发新的图案化技术.     

梯度结构多孔表面强化沸腾及其在相变器件中的应用

表面微/纳加工是强化沸腾传热的重要方法和研究热点.很多基于表面微/纳加工技术的梯度结构多孔表面也展现出了良好的强化沸腾能力,但不同的梯度结构多孔表面对沸腾传热的影响目前尚缺少系统性的研究.本文从几何尺寸梯度和润湿性梯度两个方面回顾了梯度结构多孔表面的沸腾强化进展以及对应的相变器件研究.几何尺寸梯度结构表面可分为单层几何梯度结构多孔表面、多层几何梯度结构多孔表面、覆盖微/纳米层的梯度结构多孔表面以及径向梯度孔径多孔表面.除几何尺寸上的梯度结构对强化沸腾有明显效果,润湿性梯度的改变也被证明可以大大提高沸腾换热效果.由于梯度结构多孔表面优异的沸腾传热性能,其在相变器件(如环路热管、平板热管等)方面得到了广泛应用,并有效提升了器件的传热性能.本文总结了部分梯度结构多孔表面在强化沸腾传热及提高相变器件性能方面的共同点,为后续的进一步研究奠定了基础.但是梯度结构多孔表面还有进一步优化的空间,对梯度结构多孔表面的进一步研究将有助于得到更高效的沸腾换热表面和相变传热器件.     

蚕丝走向可植入微纳器件

正吉林大学集成光电子学国家重点联合实验室孙洪波教授课题组与复旦大学邵正中教授课题组合作,提出基于丝素蛋白的全水相多光子光刻技术.利用飞秒激光直写"定制"以丝素蛋白为"核心材料模块"的功能特性多样化且可设计的微纳结构与器件.相关研究结果以"Aqueous multiphoton lithography with multifunctional silk-centredbio-resists"为题,于2015年10月16日发表于Nat     

溶剂辅助聚合物微成型

微成型技术在高分子微图案的制备和功能器件开发中十分重要. 溶剂辅助微成型是通过在聚合物薄膜内引入溶剂来溶胀或溶解聚合物, 降低聚合物的玻璃化转变温度和黏度, 从而提高聚合物的流动性能, 结合模板压印技术可以容易地得到高质量的二维和三维图案. 该技术克服了高温成型下产生的热收缩、易降解、易破坏材料功能性等缺点. 这种方法不仅适用于聚合物单层膜, 还适用于聚电解质多层膜. 通过对多层膜的压缩可以形成化学性质相同而物理性质不同的图案. 本文还讨论了在溶剂辅助微成型过程中模具、溶剂、压力、温度和图案密度对图案质量的影响.     

超疏水表面微液滴的电致振动

微流体控制技术在生物、化学、微机械等领域具有广阔的应用前景.微液滴作为微流体的一种表现形式,其运动形态与控制技术已经成为最热门的研究领域之一.本文以铜基十四酸铜表面(具有二级粗糙结构的超疏水表面)为基底,首先研究了微液滴在直流电场下的电湿润现象,其次研究了交流电场下微液滴的电致振动特性,然后讨论并分析了外加电场频率、电压幅值、液滴体积等因素对液滴振动特性的影响.