CN110116273A - 飞秒激光协同氧化反应制备宽谱带抗反射结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及飞秒激光协同氧化反应制备宽谱带抗反射结构的方法,属于抗反射结构加工技术领域。该方法先将待加工材料(样品)置于飞秒激光加工光路***中,利用聚焦物镜,使飞秒激光的光斑聚焦在样品表面;然后通过控制飞秒激光加工光路中机械快门的开关和平移台的移动,使飞秒激光的聚焦光斑在样品表面先后进行x方向和y方向的烧蚀加工,在样品表面制备出微米级锥状结构阵列;最后将样品置于搅拌均匀的过硫酸铵和氢氧化钠的混合溶液中,发生氧化反应使样品表面生长出海胆状微纳米复合结构。对比现有技术,本发明实施过程简单,重复性好;结构在超宽波长范围内能够保持稳定且优异的抗反射性能,在光伏、军事等领域有较高的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于抗反射结构加工技术领域,具体涉及一种利用飞秒激光与氧化反应的协同过程制备具有超宽谱带高抗反射性能的海胆状微纳米复合结构的方法。
背景技术
材料的抗反射性能在诸多领域都有极其重要的应用。例如,增强对太阳光的吸收,可以更加高效、充分地对太阳能加以收集和利用,有助于清洁能源的实施和推广。红外波段反射率的降低可以减弱材料的红外可探测性,基于该性能,可进一步开发研制应用于军事上的隐身技术。再如,波长范围为8-15μm的红外波,由于其与人体细胞元素的振动频率非常接近,可以引起人体细胞中原子与分子之间的共振,从而促进人体细胞的运动,加快血液循环,促进清除血管中积聚的有害物质,并促进酶的生成,防止衰老,增强免疫***的功能,因而被称为“生命光线”;研究对生命光线波段吸收的增强技术,在生物医药领域具有较高的应用价值。
在材料表面制备出特定形貌的微、纳米结构,有助于材料抗反射性能的提升。微、纳米结构的制备技术通常有两种类型,分别是自上而下和自下而上的过程。自上而下是一种去除材料的过程,常见的技术如刻蚀、纳米压印等。通过自上而下方法制备的结构通常具有很好的形貌,但这种模式的效率较低,难以实现大面积、丰富结构的制备。自下而上方法是通过化学等手段生长或沉积出微、纳米结构,包括热氧化、静电沉积、化学气相沉积等。自下而上方法的特点是效率高,但其制备结构的形貌往往不够规整、均一,可控性较差,难以达到最优化的性能。
尽管材料表面的微、纳米结构能够增强材料的抗反射能力,但是特定尺度的单一结构往往只能对较窄波段的电磁波产生吸收作用;要实现较宽波长范围的抗反性能,则必须依赖复杂的多尺度三维结构,以满足不同波段光的吸收特点。微米和纳米复合的三维表面结构可以使材料同时具备微米尺度和纳米尺度上的光吸收能力,进而使材料能够在较宽的谱带范围内展现出优良的抗反射性能。
超宽谱带抗反射性能的实现,对结构的制备方法提出了挑战。具有良好可控性的复杂微纳复合结构,很难通过单一的技术过程来制备。因此,开发新的微纳加工技术,高效制备出理想的微纳复合结构,实现材料在较宽波长范围内的抗反射性能,逐渐成为微纳制造研究领域的热点。
发明内容
本方法目的是为了解决上述问题,提供一种飞秒激光协同氧化反应方法制备具有超宽谱带高抗反射性能的海胆状微纳米复合结构,通过利用飞秒激光和化学氧化协同作用的手段,在材料表面制备出形貌规整、可控好的微纳米复合结构,并在超宽谱带的波长范围(200~16000nm)内具备稳定且优异的抗反射性能。
该方法主要包括飞秒激光的图案化烧蚀和碱性环境下过硫酸根离子对烧蚀区域的氧化过程。通过该方法可以在铜片表面制备出包含大量纳米线的海胆状结构阵列。
其中,飞秒激光对铜片的烧蚀,可以构建出表面覆盖有丰富纳米颗粒的微米锥阵列;同时,飞秒激光的烧蚀也能对加工过的表面产生局部氧化,引起铜表面化学成分的改变。发生在金属表面物理结构和化学成分的变化,能对后续过硫酸根的氧化过程产生影响和调节的作用,诱导飞秒激光作用过的区域生长出更多的纳米线结构。经过飞秒激光与过硫酸根氧化的协同作用,最终制备得到海胆状的微纳米复合结构。
使用本方法制备的海胆状微纳米复合结构,宏观上保留了飞秒激光构建的微米锥形状轮廓特征,因而具备微米尺度上的馅光能力;同时生长在表面的浓密的纳米线,会使填充于其中的空气产生折射率梯度的变化,折射率梯度的变化,则会进一步引发结构反射率的降低。综合以上特征,本方法所制备的海胆状微纳米复合结构,在波长为200~16000nm的超宽谱带范围内,可以保持优异、稳定的抗反射性能,这种性能在太阳能电池、光电探测器、军事隐身等诸多领域,都具备巨大的应用价值。
为实现发明目的,通过以下技术方案实现:
飞秒激光协同氧化反应制备超宽谱带高抗反射性能的海胆状微纳米复合结构方法,包括以下步骤:
作为优选,在进行步骤1所述工作之前搭建飞秒激光加工光路***。
1.将待加工材料(样品)置于飞秒激光加工光路***中,利用聚焦物镜,使飞秒激光的光斑聚焦在待加工材料表面;
作为优选,所述样品为金属。
作为优选,所述样品为铜片。
作为优选,所述将样品置于飞秒激光加工光路***中前先将待加工材料进行清洗以除去加工对象表面的污渍和氧化膜。
作为优选,所述清洗为依次使用无水乙醇、0.3mol/L的盐酸、蒸馏水,分别在超声机中清洗5分钟。
2.通过控制飞秒激光加工光路中机械快门的开关和平移台的移动,使飞秒激光的聚焦光斑在样品表面先后进行x方向和y方向的烧蚀加工,在样品表面制备出微米级锥状结构阵列;
作为优选,通过控制所述飞秒激光的能量、平移台的移动速度、xy方向的间距来调控飞秒激光烧蚀表面结构的形貌。
作为优选,所述飞秒激光的激光能量为20mW,平移台的移动速度为200μm/s,飞秒激光在垂直于x方向和垂直于y方向的单次移动间距为30μm。
作为优选,在所述将样品置于搅拌均匀的过硫酸铵和氢氧化钠的混合溶液中之前,先将样品依次使用无水乙醇、蒸馏水,分别在超声机中清洗5分钟以去除表面残留的加工碎屑。
3.将样品置于搅拌均匀的过硫酸铵和氢氧化钠的混合溶液中,发生氧化反应使样品表面生长出海胆状微纳米复合结构。
作为优选,所述过硫酸铵的浓度:0.13mol/L,所述氢氧化钠的浓度:2.5mol/L,反应时间:30min,反应温度:25℃室温环境。
作为优选,将步骤3反应后得到的样品取出,用流动的蒸馏水将样品表面残留的溶液清洗干净,置于真空干燥箱中,在30℃温度下干燥2小时。
有益效果:
对比现有技术,本发明具有以下特点:
1.利用飞秒激光对铜片的烧蚀加工,可以在铜金属表面构造出均匀、规整的微米级锥状结构阵列,该微米锥阵列是海胆状结构形成的前提和必要条件;
2.飞秒激光具有超高的瞬时能量密度,可以在烧蚀表面产生丰富的纳米颗粒;同时引起局部氧化,使部分烧蚀表面被氧化为氧化铜。纳米颗粒的存在增大了铜表面与溶液中过硫酸根、氢氧根离子的接触面积,加快了氢氧化铜纳米线的生长速度,并使溶液中局部氢氧根离子在短时间内被大量消耗,引起局部PH值的降低,如反应方程式(1);而局部PH值的快速降低和表面氧化铜物质的存在,阻碍了溶液中氧氧化铜水解成为氧化铜的反应,如反应方程式(2)。最终导致生成物中含有较少的氧化铜纳米花,但具有较多的氢氧化铜纳米线,整体结构类似于海胆形状;
Cu(OH)2→CμO+H2O(2)
3.结合飞秒激光高斯光场分布特点,通过特定的尺寸设计(烧蚀深度、相邻微米锥的中心间距),使飞秒激光加工后得到的结构阵列具备优异的馅光能力。照射到微米锥阵列上的光线,可以在相邻的表面之间反复反射,不断减弱能量,并被结构所吸收;最终制备的海胆状结构阵列在微米尺度上保留了飞秒激光的烧蚀形貌,因而具备微米尺度上的馅光能力;
4.经过过硫酸根氧化过后的海胆状结构,表面垂直生长出的纳米线数量可观,长度均一。这些纳米线从顶部到底部,密度由疏到密变化,使得填充于其中的空气的折射率ni也随之改变(如式(3),fi是空气填充因子,随着纳米线密度的增加而减少;且变化趋势越来越小,根据反射率(ri)与折射率之间的关系式(式(4))可知,反射率数值随空气折射率增大趋势的降低而减少,进一步增强了所制备结构的抗反射能力;
5.对比未经过飞秒激光加工过的铜片在碱性环境下被过硫酸根氧化的结果可知,只有经过飞秒激光的烧蚀加工,才有大量纳米线的生成;没有被飞秒激光烧蚀过的区域,纳米线极少,取而代之的是大量的花状团簇结构;经过飞秒激光烧蚀和过硫酸根氧化的协同作用,才能制备出满足理想性能需求的海胆状微纳米复合结构;
6.将所制备的海胆状结构阵列分别置于紫外(200-380nm)、可见光(380-780nm)、近红外(780-1500nm)、远红外(1500-16000nm)波段下进行抗反射性能的测试,最低可以实现相比于抛光铜表面0.7%、5.3%、1.7%、1.3%的超低反射率。
7.该协同方法操作过程简单,可重复性好,且实现过程中不要求高温高压真空等苛刻条件。所制备的结构在超宽谱带范围内,能够保持超高且稳定的抗反射性能,在太阳能电池、光电探测器、军事隐身等诸多领域存在较高的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例制备超宽谱带高抗反射性能的海胆状微纳米复合结构的飞秒激光加工***光路图。
图2为本发明实施例制备超宽谱带高抗反射性能的海胆状微纳米复合结构的工艺流程图;其中,(a)清洗过的铜片;(b-c)飞秒激光烧蚀形成的微米锥结构阵列和局部放大示意图;(d)将经过飞秒激光加工过后的样品置于过硫酸铵和氢氧化钠的混合溶液中发生氧化反应的示意图;(e)飞秒激光协同氧化反应方法制备的海胆状微纳米复合结构示意图。
图3飞秒激光加工过后的微米锥结构和经由飞秒激光协同氧化反应方法制备的海胆状结构表面形貌图:其中(a)为飞秒激光烧蚀铜片表面后形成的微米锥结构阵列的扫描电子显微镜(SEM)图;(b)为(a)图中微米锥结构表面放大的SEM图;(c)为经过飞秒激光和氧化反应协同作用后制备的海胆状微纳米复合结构阵列的SEM图;(d)为(c)图中单个海胆状结构的SEM图。
图4为从海胆状微纳米结构中取下的纳米线的透射电子显微镜(TEM)结果图:其中(a)透射电子显微镜下观察得到的纳米线结构形貌图;(b)为(a)图中纳米线部分区域的高分辨透射电子显微图像;(c)为(a)图中纳米线部分区域的衍射花样。
图5为未经飞秒激光的烧蚀加工,直接在碱性环境下被过硫酸根离子氧化的铜片表面结构形貌图:其中(a)为经过清洗过后的铜片在碱性环境下被过硫酸根离子氧化30分钟后表面形貌的SEM图;(b)为(a)图结构中单个花状团簇的SEM图。
图6为从花状团簇结构中取下的纳米片的透射电子显微镜结果图:其中(a)为纳米片结构在透射电子显微镜下观察得到的形貌图;(b)为(a)图中纳米片部分区域的高分辨透射电子显微图像;(c)为(a)图中纳米片部分区域的衍射花样。
图7为经飞秒激光协同氧化反应制备的海胆状结构、直接被过硫酸根氧化得到的花状团簇结构和经过清洗后的抛光铜表面的反射率测试结果:其中(a)为三种结构在紫外波段的反射率曲线;(b)为三种结构在可见光波段的反射率曲线;(c)为三种结构在近红外波段的反射率曲线;(d)为三种结构在远红外波段的反射率曲线;实线代表海胆状结构的反射率;点线代表花状团簇的反射率;点划线代表抛光铜表面的反射率。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚、明确,下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
选择规格为10×10×1mm3的铜片作为待加工材料,详细说明本发明飞秒激光协同氧化反应制备超宽谱带高抗反射性能的海胆状微纳米复合结构的方法,包括以下步骤:
(1)搭建如图1所示的飞秒激光加工光路***,主要包括:飞秒激光器、照明光源、成像(CCD)***、计算机、功率衰减片、机械快门、分束镜、二向色镜、聚焦物镜、六自由度平移台和铜片样品。飞秒激光器发出波长为800nm,脉冲持续时间为50fs,重复频率为1kHz的激光。激光经过光路的传播,照射到功率衰减片上,通过调节衰减片,可以从出射方向得到不同能量的激光。使用计算机控制机械快门的开关,进而使激光经过二向色镜后反射到聚焦物镜上,经过聚焦物镜的聚焦作用,最终被聚焦在铜片的表面上。照明光源发出的照明光经过分束镜、二向色镜以及聚焦物镜后照射到铜片的表面,经过反射,将加工的过程在成像(CCD)***中进行成像。通过计算机可以控制平移台的移动、调节机械快门的开关,从成像(CCD)***实时观察飞秒激光的加工过程。
(2)使用超声机辅助,依次使用无水乙醇、0.3mol/L的盐酸、蒸馏水清洗铜片样品,以除去样品表面的污渍和氧化膜。之后将清洗后的铜片样品固定在高精度六自由度平移台上,通过焦距为100mm的平凸聚焦物镜,将飞秒激光聚焦在样品表面。之后,通过计算机控制平移台,按照一定的速度,先沿x方向平行移动,后沿y方向平行移动,最终将如图2(a)的样品加工出如图2(b)、(c)所示的锥状微米结构。激光能量、平移台移动速度、xy方向间距、激光波长、脉宽、频率以及偏振等参数都会对制备的表面结构产生影响。其中,激光能量、平移台的移动速度、xy方向的间距是最为重要的三个参数。因此,在满足应用的条件下,选择控制激光的能量、平移台的移动速度、xy方向的间距来调控飞秒激光烧蚀表面结构的形貌。本实施例中控制飞秒激光的能量分别为10mW、20mW、30mW、40mW,平移台的移动速度为100μm/s、200μm/s、500μm/s、1000μm/s,xy方向的间距为10μm、30μm、50μm。
(3)配制40ml的(NH4)2S2O8和NaOH的混合溶液,搅拌均匀,其中控制溶液中(NH4)2S2O8的浓度为0.13mol/L,NaOH的浓度为2.5mol/L。使用超声机作为辅助,依次用无水乙醇和蒸馏水将飞秒激光加工过后的铜片样片清洗干净,除去加工碎屑,并与未经飞秒激光加工的抛光铜片一起,浸入配置好的混合溶液中,在室温25℃的环境下反应30min,如图2(d)所示。为保持生长出的纳米线结构的均一性,反应过程中保持溶液环境的稳定,不能搅拌或者晃动溶液。30分钟过后,将浸泡在溶液中的样品取出,用流动的蒸馏水反复冲洗样片表面,以洗去残留在样品上的反应液体。之后,将样片放置于真空干燥箱中30℃保持2小时,以干燥样品。取出样品得到:经由飞秒激光协同氧化反应制备的结构在微米锥表面垂直生长有大量的纳米线,零星分布少量纳米花结构,呈现出类似于海胆形状的形貌,如图2(e)所示;而未经飞秒激光加工、直接被(NH4)2S2O8和NaOH的混合溶液氧化的铜片样品表面,纳米线的数量极少,被大量的花状团簇结构所覆盖。
通过对比在不同激光能量、平移台移动速度和xy方向间距下得到的结构形貌特征以及对结构进行抗反射性能的测试可知:最优化的激光能量为:20mW,平移台移动速度为:200μm/s,xy方向间距为:30μm。此时,在铜片表面制备出的海胆状结构最为规整且性能最佳。
(4)图3(a-b)为设定激光能量为20mW、平移台移动速度200μm/s、xy方向间距30μm时,飞秒激光烧蚀得到的锥状结构形貌的SEM图,可以看出飞秒激光在铜片表面加工出了整齐的锥形阵列,同时锥形阵列的表面包含有丰富的纳米颗粒,这些纳米颗粒微结构对后续氧化过程中纳米线的生成起到不可缺少的作用。图3(c-d)为样品经过飞秒激光和氧化反应的协同作用后,制备得到的海胆状结构阵列及放大图。可以看到在飞秒激光加工过的微米锥表面垂直生长出了浓密的纳米线,这些纳米线的平均长度约为10μm,宽度约为100nm,形状和质地都很均匀。
(5)图4(a)是纳米线结构的TEM形貌图。图4b是图4a中纳米线的高分辨率TEM图像,测量得到的晶格间距为符合氢氧化铜晶体中(002)晶面的晶面参数。图4c是图4a中纳米线的选区电子衍射(SAED)图案,SAED图案中的一系列同心环表明图4a中的纳米线是多晶形态的;根据SAED图计算出的晶面间距与氢氧化铜晶体中的(002)、(021)和(020)晶面间距相对应。这些结果均表明组成海胆状结构的纳米线的成分是氢氧化铜。
(6)图5(a-b)为未经过飞秒激光的加工,直接在碱性环境下被过硫酸铵溶液氧化的铜片样品表面形貌的SEM图。在相同的反应时间内,样品表面并未出现较多的纳米线,而是生长出大量的花状团簇,花状团簇相互堆叠在一起,厚厚地覆盖在铜片表面;这些花状团簇的直径约为5μm,其形貌特征与经过飞秒激光与氧化过程协同作用后生长出的纳米线结构完全不同。
(7)图6(a)显示的是从花状团簇上取下的纳米片结构在透射电子显微镜下观察得到的形貌图。图6b对应的是图6a中纳米片的高分辨率TEM图像,显示出该纳米片是一个由许多沿不同晶向生长的晶粒组成的多晶结构,测量到的平行晶格条纹间距分别为和它们与氧化铜晶体中(111)和(002)晶面的晶面间距相匹配。图6c是图6a中纳米片的选区电子衍射图,SAED图案同样展示了该纳米片是多晶的形态,根据SAED图计算得到的晶面间距符合氧化铜晶体中(111)和(002)晶面参数。这些结果均表明组成花状团簇的纳米片的成分是氧化铜。
(8)图7显示的是飞秒激光协同氧化反应制备的海胆状结构、直接被过硫酸根氧化生成的花状团簇结构和经过清洗后的抛光铜表面的反射率测试结果。其中图7(a)显示的是三种表面结构在紫外波段的反射率曲线,测试仪器是紫外可见近红外分光光度计。测试过程中,将样品置于样品仓内,以高反射率的基板为参照物,收集不同样品表面的反射率信号,并绘制成曲线。从图7(a)中可以看出,在200-380nm的紫外波段范围内,海胆状结构的反射率最低,且波动范围小,能够保持性能的稳定;海胆状结构相比于抛光铜反射率的平均值为3.9%,最低值可达0.7%;花状团簇相比于抛光铜反射率的平均值为38.6%,最低值为36.8%。7(b)显示的是三种表面结构在可见光波段的反射率曲线,测试仪器和测试方法与紫外波段相同。从图7(b)中可以看出,在380-780nm的可见光波段范围内,海胆状结构的反射率同样是最低的,且波动范围小,能够保持性能的稳定;海胆状结构相比于抛光铜反射率的平均值为6.2%,最低值可达5.3%;花状团簇相比于抛光铜反射率的平均值为34.0%,最低值为31.0%。7(c)显示的是三种表面结构在近红外波段的反射率曲线,测试仪器和测试方法与紫外光波段相同。从图7(c)中可以看出,在780-1500nm的近红外波段范围内,海胆状结构的反射率依旧是最低的,且波动范围小,能够保持性能的稳定;海胆状结构相比于抛光铜反射率的平均值为4.0%,最低值可达1.7%;花状团簇相比于抛光铜的反射率平均值为35.0%,最低值为33.6%。6(d)显示的是三种表面结构在远红外波段的反射率曲线,测试仪器是傅立叶红外光谱仪。测试过程中,首先收集高反射率基板的反射率曲线,作为参考;之后将样品至于显微***中,选定待测区域,通过探测器收集样品的反射率信号,并绘制成曲线。从图6(d)中可以看出,在1500-16000nm的远红外波段范围内,海胆状结构的反射率远远低于花状团簇,并保持稳定;海胆状结构相比于抛光铜反射率的平均值为1.5%,最低值可达1.3%;花状团簇相比于抛光铜反射率的平均值为30.2%,最低值为20.2%。
综上所述,通过飞秒激光协同氧化反应方法制备的海胆状微纳米复合结构在超宽的谱带范围内,可以稳定地保持超低的反射性能,具备超高的抗反能力,因而在太阳能电池、光电探测器、军事隐身等领域,具有巨大的应用前景。飞秒激光的烧蚀,不仅构建出了具有馅光能力的微米级锥状结构,同时也是后续氧化过程中纳米线生长的不可缺少的条件。飞秒激光和氧化过程在一定条件下协同作用,才能制备出满足理想性能需求的海胆状结构。同时,该方法在实施过程中,无需创造高温、高压、真空等苛刻的环境条件,低能高效,操作简单。
以上所述,对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种飞秒激光协同氧化反应制备超宽谱带高抗反射性能的海胆状微纳米复合结构方法,其特征在于:
(1)将待加工材料(样品)置于飞秒激光加工光路***中,利用聚焦物镜,使飞秒激光的光斑聚焦在样品表面;
(2)通过控制飞秒激光加工光路中机械快门的开关和平移台的移动,使飞秒激光的聚焦光斑在样品表面先后进行x方向和y方向的烧蚀加工,在样品表面制备出微米级锥状结构阵列;
(3)将样品置于搅拌均匀的过硫酸铵和氢氧化钠的混合溶液中,发生氧化反应使样品表面生长出海胆状微纳米复合结构。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:在进行步骤1之前搭建飞秒激光加工光路***。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述样品为铜片。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述将样品置于飞秒激光加工光路***中前先将待加工材料进行清洗以除去加工对象表面的污渍和氧化膜。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于:所述清洗为依次使用无水乙醇、0.3mol/L的盐酸、蒸馏水,分别在超声机中清洗5分钟。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:通过控制所述飞秒激光的能量、平移台的移动速度、xy方向的间距来调控飞秒激光烧蚀表面结构的形貌。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于:所述飞秒激光的激光能量为20mW,平移台的移动速度为200μm/s,飞秒激光在垂直于x方向和垂直于y方向的单次移动间距为30μm。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:在所述将样品置于搅拌均匀的过硫酸铵和氢氧化钠的混合溶液中之前,先将样品依次使用无水乙醇、蒸馏水,分别在超声机中清洗5分钟以去除表面残留的加工碎屑。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述过硫酸铵的浓度:0.13mol/L,所述氢氧化钠的浓度:2.5mol/L,反应时间:30min,反应温度:25℃室温环境。
10.根据权利要求1-9任一所述的方法,其特征在于:将步骤3反应后得到的样品取出,用流动的蒸馏水将样品表面残留的溶液清洗干净,置于真空干燥箱中,在30℃温度下干燥2小时。
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