CN111886107A - 使用能量脉冲的表面纹理化 - Google Patents

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Abstract

在一些示例中，***包括能量源、聚焦***和控制器。能量源被配置成向聚焦***输出能量脉冲。腔室可以围绕金属基板的至少一部分并且腔室容纳与金属基板的表面接触的液体。控制器可配置成：使能量源输出能量脉冲，并使聚焦***在与液体接触的金属基板的表面处或附近聚焦能量脉冲的聚焦体积，以在金属基板上创建微米尺度或更小的表面纹理化。

Description

使用能量脉冲的表面纹理化
技术领域
本公开涉及用于纹理化(texturing)金属基板的表面的技术。
背景技术
材料的表面可以被纹理化以增大表面积、修改粘附力或疏水性等等。例如，可以选择性地蚀刻表面以在基板中形成三维结构。
发明内容
在一些示例中，本公开描述了一种包括聚焦***、能量源、腔室和控制器的***。能量源可配置成向聚焦***输出能量脉冲。腔室可以围绕金属基板的至少一部分并且容纳与金属基板的表面接触的液体。控制器可配置成使能量源向聚焦***输出能量脉冲并使聚焦***在与液体接触的金属基板的表面处或附近聚焦能量脉冲的聚焦体积(focalvolume)，以在金属基板上创建微米尺度(micro-scale)或更小的表面纹理。
在一些示例中，本公开描述了一种方法，包括通过控制器使能量源向聚焦***输出能量脉冲。方法还可以包括通过控制器使聚焦***在与液体接触的金属基板的表面处或附近聚焦能量脉冲的聚焦体积，以在与所述液体接触的所述金属基板的表面上创建微米尺度或更小的表面纹理化，其中所述液体和所述金属基板被容纳在腔室中。
在一些示例中，本公开描述了一种包括指令的非瞬态计算机可读介质，当执行所述指令时，使控制器的一个或多个处理器：控制能量源向聚焦***输出能量脉冲，并控制聚焦***在与液体接触的金属基板的表面处或附近聚焦能量脉冲的聚焦体积，以在与所述液体接触的所述金属基板的表面上创建微米尺度或更小的表面纹理化，其中所述液体和所述金属基板被容纳在腔室中
在以下所附附图和描述中阐述一个或多个示例的细节。本公开的其他特征、目的以及优点将根据说明书、附图以及权利要求书而显而易见。
附图说明
图1是示出了根据本公开的一个或多个方面的示例能量脉冲纹理化***的概念图。
图2是示出了根据本公开的一个或多个方面的能量脉冲纹理化的示例工艺的流程图。
图3是示出了根据本公开的一个或多个方面的能量脉冲纹理化的示例工艺的流程图。
图4是示出了根据本公开的一个或多个方面的包括微米尺度或宏观尺度(macro-scale)的表面特征的示例基板的概念图。
图5是示出了根据本公开的一个或多个方面的包括多个电极的示例基板的概念图。
图6是示出了根据本公开的一个或多个方面的示例三维电极表面的概念图。
图7A-7E是示出在空气中被能量纹理化的多个钛(Ti)箔的样本的图像。
图8A和图8B是在示出在空气中被能量纹理化的钛箔的样本的图像。
图9A-9E是示出在空气环境中使用能量脉冲被纹理化的样本的图像。
图10A-10C是使用散焦能量束制备的样本在不同放大级别下的图像。
图11A是示出包括主要在x轴方向上的扫描和主要在y轴方向上的扫描两者的光栅图案的概念图。
图11B-11D是以不同放大率拍摄的使用能量脉冲和图11A所示的扫描图案来被纹理化的基板的表面形态的显微照片。
图12A和图12B是在氮环境中使用能量脉冲并且使用不同数量的循环完成的基板上的表面形态的显微照片。
图13A和图13B是在不同分辨率下的示出图12A所示的钛箔上的表面形态的显微照片。
图14A和图14B是在不同分辨率下的示出在氮环境中使用能量脉冲完成的钛箔上的表面形态的显微照片。
图15是在水中被能量纹理化的钛箔上的表面形态的显微照片。
图16A和图16B是在不同放大率下的示出在水中被能量纹理化的钛箔的表面形态的显微照片。
图17A和图17B是在不同放大率下的示出在水中被能量纹理化的钛箔的表面形态的显微照片。
图18A和图18B是在不同放大率下的示出在稀释的过氧化氢中被能量纹理化的钛箔的表面形态的显微照片。
图19A和图19B是在不同放大率下的示出在稀释的过氧化氢中被能量纹理化的钛箔的表面形态的显微照片。
图20A-20C是在不同放大率下的示出在稀释的过氧化氢中被能量纹理化的钛箔的表面形态的显微照片。
图21A-21C是在不同放大率下的示出在水中被能量纹理化的铌(Nb)箔的表面形态的显微照片。
图22A-22C是在不同放大率下的示出在乙酸中被能量纹理化的铌箔的表面形态的显微照片。
图23A-23C是在不同放大率下的示出在乙酸中被能量纹理化的钛箔的表面形态的显微照片。
具体实施方式
通常，本公开描述的示例技术涉及通过使用能量脉冲以纹理化表面来增大基板的表面积。在一些示例中，所述基板可以是诸如电极之类的金属基板。在一些示例中，电极可以具有用于感测或刺激的功能性表面。可以通过增大电极表面积，由此增大电极的电容来促进感测和刺激。本文描述的技术利用与要被纹理化的表面接触的液体环境来影响纹理化过程。通过使用液体环境，可以形成比用类似能量脉冲性质在气体环境中形成的表面特征更小的表面特征。例如，在液体介质中使用具有飞秒或皮秒脉冲持续时间的能量脉冲可以导致具有微米尺度或更小的表面特征的表面纹理化。
***可包括：能量源，该能量源输出能量脉冲；聚焦***，该聚焦***可以将能量脉冲聚焦在表面上的选定位置处或附近；以及控制器，该控制器控制能量源和聚焦***的操作。聚焦***可以将能量脉冲聚焦在表面的和液体的界面处，或者可以将能量脉冲聚焦在表面和液体的界面附近(例如，在离开表面约500微米内)，使得能量脉冲在表面和液体的界面处散焦。
在一些示例中，能量脉冲可以修改基板的表面化学成分和基板的表面形态。例如，在表面纹理化期间，来自液体的氧或氮可与金属基板反应，以在基板的表面上形成金属氧化物或金属氮化物。
图1是示出了根据本公开的一些示例的示例能量脉冲纹理化***10的概念图。***10包括能量源12、聚焦***20、管道25、腔室26、储集器27、控制器28、以及泵29。能量源12(例如，经由可选的反射镜16)向聚焦***20输出能量脉冲14A。聚焦***20将聚焦能量脉冲14B的聚焦体积聚焦在被封围在内腔室26内的金属基板22的表面30处或附近。金属基板22可以被保持在台24上并且被放置成在暴露于聚焦能量脉冲14B时与液体接触以创建表面纹理化。泵29可以使液体从储集器27经由管道25循环流入和流出腔室26。
能量源12可包括例如激光源。在一些示例中，能量源12可以是再生放大的钛蓝宝石(Ti-sapphire)或光纤激光***。
能量源12可以输出具有选定参数的能量脉冲14A，该选定参数包括脉冲持续时间、波长、能量和重复率。在一些示例中，能量源12可以输出具有在飞秒或皮秒范围内或更短的脉冲持续时间的能量脉冲14A。例如，能量脉冲14的脉冲持续时间可以在约5飞秒到约500皮秒之间。在一些示例中，能量源12可以输出具有在约300飞秒到约360飞秒之间的脉冲持续时间的能量脉冲14A。脉冲持续时间可以影响由能量脉冲14A递送的峰值功率。在一些示例中，具有纳秒或更长脉冲长度的能量脉冲14A可导致与具有飞秒或皮秒范围内的脉冲持续时间的能量脉冲14A不同的表面纹理。
能量源12可以输出具有选定波长或波长范围的能量脉冲14A。例如，能量源12可以输出具有在约200纳米(nm)到约2000nm之间的波长的能量脉冲14A。例如，能量脉冲14A的波长可以是约343nm、约515nm、或约1030nm。
能量脉冲12可以输出具有每脉冲选定能量的能量脉冲14A。例如，能量脉冲14A的每脉冲能量可以在约1微焦耳(μJ)到约200μJ之间。例如，能量脉冲14A中的能量的量可以在约5.0μJ到约50.0μJ之间。
能量源12还可以以选定的重复率输出能量脉冲14A。重复率是指每秒的脉冲数量，并且还可以被称为脉冲频率。在一些示例中，能量源12可以以在约1赫兹(Hz)到约2兆赫兹(MHz)之间(诸如约100千赫兹(kHz))的重复率输出能量脉冲14。
能量源12可以向聚焦***20输出具有选定参数的能量脉冲14A。在一些示例中，在到达聚焦***20之前，能量脉冲可遇到反射镜16。在一些示例中，反射镜16可以是分束器和/或波片，该反射镜16可以反射能量脉冲14A的一部分以形成被引导到聚焦***20的反射能量脉冲14B。能量脉冲14A的第二部分可以通过分束器发射到例如光束终止器(beamstop)或吸收器。以此方式，分束器可用于选择某些波长，或者在偏振分束器的情况下，分束器可用于选择要被反射到聚焦***20的能量的某些偏振。与波片相结合的分束器可以控制能量脉冲14A的能量的量。这可以用于影响传递到聚焦***20，并最终传递到表面30的能量的量。
反射能量脉冲14B(或者在没有反射镜16的情况下，能量脉冲14A)随后入射到聚焦***20上，该聚焦***20可包括一个或多个透镜、反射镜、偏振器、波片、衍射元件等等以使反射能量脉冲14B成形和聚焦反射能量脉冲14B。聚焦***20可以输出聚焦能量脉冲14C，该聚焦能量脉冲14C可以被聚焦在金属基板22的表面30处或靠近表面30(例如，在表面30前面或后面)。以此方式，聚焦***20可以控制聚焦能量脉冲14C是聚焦在表面30处还是在表面30处散焦，这可以影响表面30的纹理化。
聚焦***20可以将聚焦能量脉冲14C聚焦为选定体积，该选定体积可以由平均能量定义。在一些示例中，聚焦能量脉冲14C展现出在聚焦体积的中心处具有峰值的能量的三维高斯(Gaussian)空间分布。聚焦体积可以被定位在金属基板22的表面30处的第一位置处、在表面30前面的第二位置处(比表面30更靠近聚焦***20)、或在表面30后面的第三位置处(比表面30距离聚焦***20更远)，其中第二和第三位置在金属表面处产生散焦。在一些示例中，聚焦能量脉冲14C的聚焦体积可具有在约5微米(μm)到约200μm之间的直径。在一些示例中，聚焦能量脉冲14C的聚焦体积可以是约20μm。
代替聚焦体积，聚焦能量脉冲14C可以由选定强度表征。该强度是指每面积的能量。在一些示例中，能量源12可以以在约0.01焦耳每平方厘米(J/cm2)到50J/cm2之间的强度输出能量脉冲。
在一些示例中，聚焦***20可以在基本上垂直于表面30的方向上将聚焦能量脉冲14C引导到表面30。在一些示例中，聚焦***20可以在非垂直方向上将聚焦能量脉冲14C引导到表面30。
***10还包括腔室26和台24。腔室26被配置成容纳液体，诸如水、过氧化氢、氢氧化铵、胺、酒精、硅油、乙酸、羧酸、无机酸、酮、酯、有机流体等等，以及它们的任何组合。在一些示例中，如图1所示的，腔室26还封围台24和金属基板22。在其他示例中，腔室26可以封围金属基板并且可以接触台24的表面而不完全封围台24。在又其他示例中，腔室26可以接触表面30并且容纳与表面30的一部分接触的液体。
腔室26可以包括一个或多个端口，可以通过该一个或多个端口添加液体、移除液体、或添加以及移除液体这两者。在一些示例中，腔室26可以对大气开放，使得液体对大气开放并且聚焦能量脉冲14C通过大气进入液体。在其他示例中，腔室可以被基本上完全封围，并且可包括对聚焦能量脉冲14C的波长基本上透明的盖，聚焦能量脉冲14C可以通过该盖进入腔室26的内部。在一些示例中，被容纳在腔室26中的液体可以是挥发性的，导致安全问题，或损坏光学器件，诸如损坏聚焦透镜。在此情况下，腔室26可以是基本上完全封围的，以确保可以容纳挥发性液体并减少顾虑。
可以基于液体在表面纹理化技术上的效果来选择被容纳在腔室26中的液体。例如，水可以具有比空气或氮气更高的热传递系数，并且因此可以在表面30暴露于聚焦能量脉冲14C之后更快地冷却金属基板22的表面30。这可以导致不同的表面纹理被给予表面30。作为另一示例，液体可以吸收聚焦能量脉冲的能量的一部分，由此降低表面30暴露于其中的能量，再次导致针对给定的一组能量脉冲参数，不同的表面纹理被给予表面30。
在一些示例中，液体还可以在暴露于聚焦能量脉冲14C时与金属基板22反应，以化学地修改表面30。例如，含氧液体(如水或过氧化氢)可以释放氧气，该氧气与金属基板22中的金属反应以在表面30上形成金属氧化物。作为另一示例，含氮液体(如氢氧化铵)可以释放氮气，该氮气与金属基板22中的金属反应以在表面30上形成金属氮化物。以此方式，在一些示例中，本文所述的技术可以实现在单个操作中完成表面纹理化和化学改性(chemicalmodification)。
金属基板22可以至少部分地由腔室26封围，使得金属基板22的表面30与腔室26中的液体接触。金属基板22可包括任何金属或合金。例如，金属基板22可包括钛、钛合金、金、金合金、银、银合金、铂、铂合金、不锈钢、钴铬合金、铌、铌合金等等。在一些示例中，金属基板22可以用于医疗设备中。例如，金属基板22可以是医疗设备的电极、支架支柱、或医疗设备外壳等等。在一些实现中，金属基板22可包括钛箔电极。在一些示例中，金属基板22可以是导电材料，例如钛、铌、或不锈钢。
金属基板22定义表面30。表面30的至少一部分与腔室26内的液体接触。作为本文所述的技术的一部分，还使用聚焦能量脉冲14C对表面30的至少一部分进行纹理化。
在一些示例中，金属基板22被设置在台24上或耦合到台24。台24支撑并可选地限制金属基板22。例如，台24可包括一个或多个夹子或限制金属基板22的其他接合机构。此外，台24可以在一个或多个轴上移动以相对于聚焦***20移动金属基板22，以相对于表面30移动聚焦能量脉冲14C。例如，台24可以是在三个正交轴上可平移的(translatable)、围绕一个或多个轴可旋转的等等。
控制器28被配置成并且可操作地控制***10的操作，包括例如能量源12、聚焦***20、以及台24。控制器28可包括一个或多个处理器、一个或多个计算设备等等。处理器可包括任何一个或多个微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、分立逻辑电路***、或被配置成执行归属于控制器28的功能的任何处理电路***。归属于本文所描述的控制器28或处理器(包括处理电路***)的功能，可由硬件设备提供并实现为软件、固件、硬件、或它们的任意组合。
在一些示例中，控制器28可包括一个或多个计算设备。计算设备可包括例如，台式计算机、膝上型计算机、平板计算机、移动计算设备、服务器、工作站等等。
控制器28可包括存储器或与存储器相关联。存储器可包括任何易失性或非易失性介质，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、非易失性RAM(NVRAM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、闪存存储器等。存储器可存储计算机可读指令，这些指令当由控制器28执行时，使处理电路***执行本文中所描述的各种功能。在一些示例中，存储器可以被视作包括指令的非瞬态计算机可读存储介质，所述指令使一个或多个处理器(诸如例如，处理电路***)实现本公开描述的示例技术中的一个或多个。术语“非瞬态”可指示存储介质没有被实现在载波或传播信号中。然而，术语“非瞬态”不应被解释为意味着存储器是不可移动的。作为一个示例，可将存储器从一个设备移除并移动到另一设备。在某些示例中，非瞬态存储介质可存储可以随时间变化的数据(例如，在RAM中)。
控制器28可以使能量源12输出具有包括例如波长、脉冲持续时间、重复率、能量(或功率)等等选定参数的能量脉冲14A。可以将波长选择成使得聚焦能量脉冲14C至少部分地被金属基板22吸收。可将脉冲持续时间、重复率、以及能量或功率选择成导致向金属基板22递送选定的每脉冲的能量、每时间的能量等等。以此方式，波长、脉冲持续时间、重复率、能量(或功率)等等可至少部分地取决于金属基板的组成、液体的组成、和针对表面30的期望的表面纹理。
控制器28还可控制聚焦***20以控制聚焦能量脉冲14C的聚焦体积、聚焦体积相对于表面30的位置等等。例如，控制器28可以控制聚焦***20内的一个或多个光学元件，以沿图1所示的z轴将聚焦体积的位置控制到表面30的前面(使得与表面30到聚焦***20相比，聚焦体积更靠近聚焦***20；也被称为上面)、下面(使得与表面30距离聚焦***20相比，聚焦体积距离聚焦***20更远；也被称为后面)、或基本上在表面30处。当聚焦体积在表面30上面或下面时，聚焦能量脉冲14C在表面30处散焦。当聚焦体积基本上在表面30处时，聚焦能量脉冲14C聚焦在表面30处。聚焦能量脉冲14C在表面30处是聚焦还是散焦可影响金属基板22如何吸收能量脉冲，并且因此可影响给予表面30的纹理。
附加地，控制器28可以控制聚焦***20、台24、或两者，以将聚焦能量脉冲14C的聚焦体积定位在表面30的平面中(例如，平行于图1所示的x轴和y轴中的至少一个)。例如，控制器28可以控制聚焦***20、台24、或两者，以主要在x轴方向上、主要在y轴方向上、或两者上(例如，主要在x轴方向上，随后主要在y轴方向上，或者反之亦然)使聚焦体积光栅化(raster)。在其他示例中，控制器28可以控制聚焦***20、台24、或两者，以便以另一图案移动聚焦能量脉冲14C的聚焦体积的位置。所述图案取决于针对表面30的期望的纹理、金属基板22的形状、在金属基板22或表面30中的任何现有几何形状特征等等。
控制器28可以控制聚焦***20、台24、或两者，以控制相邻线之间的间距(pitch)或间隔，例如，其中聚焦能量脉冲14C的聚焦体积在线中沿表面30或平行于表面30移动。在一些示例中，控制器28可以将线间距控制在约1μm到约500μm之间。在气体条件和/或液体条件两者下，能量脉冲14C可以是重叠的或不重叠的。在一些示例中，线间距可以在整个表面30上是恒定的。在其他示例中，线间距可以在整个表面30上变化。
控制器28可以控制聚焦***20、台24、或两者，以控制聚焦能量脉冲14C的扫描速度。在一些示例中，扫描速度可以在约0.1m/s到约5m/s之间。在一些示例中，扫描速度可以在整个表面30上是恒定的。在一些示例中，扫描速度可以在整个扫描中变化，诸如在方向改变附近降低扫描速度。通过控制扫描速度，可以控制表面30的表面形态的深度，因为扫描速度与递送到表面30处的材料的体积的能量的量相关。当扫描速度降低时，可存在聚焦能量脉冲14C的多个重叠，并且更多能量被递送到表面30处的材料的体积，这可以增大金属基板22的表面纹理的深度。相反，如果扫描速度更大，则能量脉冲可能重叠更少，并且表面纹理的深度可能更小。
控制器28还可以控制执行的扫描图案的循环数量。循环数量可以至少为一，诸如10、20、25、30、40、50、或更多。更多循环可导致在表面30上产生更显著的纹理化。
聚焦能量脉冲14C从聚焦***20行进到腔室26的内部体积中，穿过腔室26中容纳的液体，并且入射在金属基板22的表面30上。在表面30处或表面30附近的材料吸收聚焦能量脉冲14C的至少一部分。来自聚焦能量脉冲14C的能量导致在表面30处或表面30附近的材料加热并融化或烧结，从而改变表面30的表面纹理。加热的量可受到每脉冲的能量的量、递送到材料的每个体积的能量的量(这取决于每脉冲的能量的量和扫描速度两者)、金属基板30和腔室26中的液体的热传递系数等等的影响。例如，通过在腔室26中使用液体而非气体，表面30旁边的环境的热传递系数可能更大。这导致从表面30旁边的材料的更快热传递和表面30旁边的材料的更快冷却。更快冷却可导致较不明显的表面纹理化。例如，当使用在环境是气体时将导致在表面30中形成沟道的表面纹理化参数时，使用液体环境可导致表面的微米尺度的气泡或纳米尺度的气泡，从而形成非均匀粗糙化纹理而没有所定义的沟道。以此方式，使用液体环境可以促进对表面30进行纹理化以形成非均匀纹理，从而增大表面30的表面积。在金属基板22用作电极的示例中，这可以增大电极的电容并改善性能。
在一些示例中，除了导致表面纹理化之外，聚焦能量脉冲14C还可导致金属基板22的一个或多个元素与液体的一个或多个元素之间的反应。例如，在液体包括水、酒精、酸、酯、或稀释的过氧化氢的实现中，聚焦能量脉冲14C可导致金属基板22的一个或多个元素被从液体释放的氧氧化。作为另一示例，在液体包括氢氧化铵或胺的实现中，聚焦能量脉冲14C可导致金属基板22的一个或多个元素被从氢氧化铵释放的氮氮化。以此方式，表面30的化学成分可以作为表面纹理化技术的一部分被修改。
在一些示例中，在金属基板22的表面被纹理化的同一时间处或之后，可以氮化金属基板22。在一些示例中，可以使用富氮气体完成气体氮化，所述富氮气体可以是氨。当氨与经加热的元素接触时，氨分解成氮气和氢气。可以在氮扩散到金属基板22的表面上并与金属或合金反应时，可以创建氮化物层。控制器可以选择***10(包括能量脉冲14)的参数以改变氮化物层的厚度。控制器还可以控制氮气和氧气流入和流出腔室30以控制在腔室30的环境中的氮气的化学势。
在一些示例中，可使用等离子体氮化以氮化金属基板22的表面。可以使用电场以在金属基板22的表面周围产生气体的离子化分子。在一些示例中，所述气体可以是纯氮气。如果使用纯氮气，则可以不要求自发分解。然而，如果使用氨，则可要求自发分解。可以在从约260℃到超过600℃的温度范围中执行等离子体氮化。
例如，诸如氨或氮等离子体之类的反应气体可以填充腔室30并且在聚焦能量脉冲14A正在纹理化金属基板22的表面时氮化金属基板22的表面。氮化金属基板22的表面可以改进金属基板22的耐久性和表面化学成分。例如，当使用聚焦能量脉冲14A进行纹理化时，可以使用氮化钛(titanium nitriding)通过改变氮的化学计量来调整金属基板22的表面化学成分。
图2是示出了根据本公开的一个或多个方面的用于能量脉冲纹理化金属基板的表面的示例技术的流程图。将同时参考图1的***10来描述图2的技术，尽管本领域普通技术人员将理解该技术可以由另一***执行，并且***10可以执行其他技术。图2的技术包括将金属基板22的表面30的至少一部分放置成与液体接触(32)。如上所述，所述液体可包括，例如，水、过氧化氢、氢氧化铵、胺、酒精、硅油、乙酸、羧酸、无机酸、酮、酯、有机流体等等，以及它们的任何组合。所述液体可以被容纳在腔室26中。金属基板22可以被设置在腔室26内，或者腔室可以被设置在表面30上以保持液体与表面30的一部分接触。
图2的技术还包括通过控制器使能量源12向聚焦***20输出能量脉冲14A(34)。如上所述，控制器28可以使能量源12输出具有选定波长、脉冲持续时间、脉冲能量、重复率等等的能量脉冲14A.
控制器28还使聚焦***20在金属基板22的表面30处或附近聚焦聚焦能量脉冲14C的聚焦体积(36)。例如，控制器28可以控制一个或多个光学部件的位置,以控制聚焦体积在图1所示的的x轴、y轴和/或z轴中的位置。聚焦能量脉冲14C可以以聚焦状态或散焦状态(例如，在该散焦状态中，聚焦体积在图1的z轴方向上在表面30的前面或后面)入射到表面30上。在表面30处或表面30附近的金属基板22的材料吸收聚焦能量脉冲14C的能量的至少一部分、加热、并且融化或烧结。所述融化或烧结修改表面30的纹理以在表面30上形成微米尺度或纳米尺度的表面纹理化。例如，所述微米尺度或纳米尺度表面纹理化可包括使表面30的表面积增大的气泡状表面粗糙化。
作为使聚焦***20将聚焦能量脉冲14C的聚焦体积聚焦在金属基板22的表面30处或附近(36)的一部分，控制器28可以使聚焦***20和台24中的至少一个移动，以基本上平行于表面30(例如，基本上平行于图1的x-y平面)扫描聚焦能量脉冲14C的聚焦体积。控制器28可以使聚焦***20和台24中的至少一个以任何图案移动，从而以该图案扫描聚焦体积。例如，控制器28可以使聚焦***20移动，从而使聚焦体积以光栅图案扫描表面30。光栅图案可以主要在图1的x轴方向上(例如，光栅图案的长线路径基本上平行于x轴)、主要在图1的y轴方向上(例如，光栅图案的长线路径基本上平行于x轴)、或相对于图1的x轴和y轴成一定角度(例如，光栅图像的长线路径与x轴和y轴成一定角度)。其他图案也是可能的，例如，取决于金属基板22的几何形状或要被纹理化的表面30的一部分的形状。控制器22还可以控制聚焦***20和台24中的至少一个的移动，以控制线间距(例如，由聚焦体积追踪的相邻线之间的间隔)、聚焦能量脉冲14C的扫描速度(例如，聚焦体积相对于表面30的移动速率)、或者循环数量(例如，聚焦体积在表面30上追踪基本上相同的图案的次数)中的至少一个。这些参数中的每一个可以影响表面30的纹理。
在一些示例中，除了导致表面纹理化之外，聚焦能量脉冲14C还可导致金属基板22的一个或多个元素与液体的一个或多个元素之间的反应。例如，在液体包括水、酒精、或稀释的过氧化氢的实现中，聚焦能量脉冲14C可导致金属基板22的一个或多个元素被从水、酒精、或稀释的过氧化氢释放的氧氧化。作为另一示例，在液体包括氢氧化铵的实现中，聚焦能量脉冲14C可导致金属基板的一个或多个元素被从氢氧化铵释放的氮氮化。以此方式，表面30的化学成分可以作为表面纹理化技术的一部分被修改。
在一些示例中，表面纹理化技术可包括除了图2所示的那些步骤之外的其他可选的步骤。例如，图3是示出了根据本公开的一个或多个方面的用于能量脉冲纹理化的示例技术的流程图。将同时参考图1的***10描述图3的技术，尽管本领域普通技术人员将理解该技术可以由另一***执行，并且***10可以执行其他技术。图3的技术包括在液体中进行能量脉冲纹理化之前和之后的可选步骤。
例如，图3的技术可选地包括在金属基板22中形成微米尺度或较大的结构或特征(42)。例如，可以使用蚀刻、机械加工、铸造、模制、增材制造(additive manufacturing)等等在金属基板22中形成微米尺度或较大的结构或特征。在金属基板22中形成微米尺度或较大的结构或特征(42)可包括定义金属基板22的大部分几何形状、在金属基板22中定义诸如沟道、通孔、网格等等的功能性特征等等。
在一些示例中，在金属基板22中形成微米尺度或较大的结构或特征(42)可包括在气体环境中使用能量脉冲纹理化以在金属基板22中形成微米尺度沟道。例如，所述气体环境可包括空气、氮气等等。用于能量脉冲的参数可以与上文所述的用于在液体环境中进行能量脉冲纹理化的能量脉冲的参数类似或基本上相同。然而，不是腔室26被填充有液体，而是腔室26可以填充有空气、氮气、或其他合适的气体。控制器28随后可以控制如上所述的能量源12、聚焦***20、以及台24以使聚焦能量脉冲14C在选定位置处入射在表面30上，以在表面30中形成沟道或其他特征。下面在图7A-14B中示出了示例沟道。如这些图中所示，沟道的深度和间隔可以取决于用于形成沟道的参数，包括例如，每脉冲的能量、循环数量、光栅图案、线间距、以及重复率。
图4是示出了在由聚焦能量脉冲14C进行纹理化之前的包括使用蚀刻、机械加工、铸造、模制、增材制造等等形成的微米尺度或宏观尺度的特征54的示例金属基板52的概念图。
图3的技术还可选地包括在金属基板22的表面30上形成涂层(44)。该涂层可以向表面30提供一个或多个性质，包括例如，硬度、耐湿性、化学屏障、介电性质、润滑性等等。例如，表面30可包括聚对二甲苯涂层。在一些示例中，可以在金属基板22中形成微米尺度或较大的结构或特征(42)(例如当在气体环境中进行能量脉冲纹理化以形成微米尺度沟道时)之前在表面30上形成涂层，因为涂层对于在能量脉冲中使用的能量的波长可以是基本上透明的。可以将涂层施加到表面30的选定部分，并且在一些示例中，可以将涂层从表面30的一些部分中省去。可以使用任何已知涂覆技术施加涂层，所述涂覆技术包括例如，气相涂覆技术(例如，化学气相沉积、物理气相沉积、溅射等等)、喷涂技术(例如，热喷涂、冷喷涂等等)、旋涂、涂刷(painting)、浸涂等等。
图3的技术随后包括：将金属基板22的表面30的至少一部分放置成与液体接触(32)，通过控制器28使能量源12将能量脉冲14A输出到聚焦***20(34)，以及通过控制器28使聚焦***20将聚焦能量脉冲14C的聚焦体积聚焦在金属基板22的表面30处或附近(36)。这些步骤中的每一个可以与来自图2的相应步骤类似或基本上相同。在金属基板包括预形成的微米尺度或宏观尺度的特征(比如图4的金属基板52)的一些示例中，控制器28可以使聚焦***20在具有如图4所示的微米尺度或宏观尺度的特征54的表面30处或附近聚焦聚焦能量脉冲14C的聚焦体积。
图3的技术还可以可选地包括执行表面处理(46)。在一些示例中，表面处理可包括阳极化。在一些示例中，可以通过将金属基板22浸入电解溶液中来阳极化金属基板22。直流电可以穿过用作阳极的金属基板22与浸入在溶液中的阴极之间的溶液。直流电在金属基板22的表面处释放氧，从而在金属基板22的表面上建立氧化物层。
在一些示例中，表面处理可包括等离子体氮化。电场可以用于在表面30附近从富氮气体(诸如氮或氨)产生离子化氮分子。可以在从约260℃到超过600℃的温度范围执行等离子体氮化。
以此方式，与液体接触的表面30的能量脉冲纹理化可以被单独使用或与一个或多个附加的处理技术组合使用，以在表面30上创建所期望的纹理化。与液体接触的表面30的能量脉冲纹理化可用于减少用于制备金属基板22的处理步骤的数量(例如，通过组合纹理化与表面化学改性)、使表面30更耐刮擦(例如，通过经由组合纹理化与表面化学改性，形成良好粘附的涂层)、允许在没有先前掩模(masking)步骤的情况下进行选择性表面纹理化、允许在施加其他涂层(例如，聚对二甲苯)之后进行表面纹理化等等。
图5是示出包括多个电极64A、64B、64C和64D(统称为电极64)的示例金属基板62的概念图。可以通过聚焦能量脉冲14C使用通过改变处理环境和/或能量脉冲参数的不同处理，来纹理化每个电极64以生成不同的三维表面纹理特征，所述处理环境包括液体(诸如水、过氧化氢、氢氧化铵、胺、酒精、硅油、乙酸、羧酸、无机酸、酮、酯、有机流体等等，以及它们的任何组合)，所述能量脉冲参数诸如脉冲持续时间、波长、聚焦体积、扫描速度、循环数量、线间距等等、以及它们的任何组合。在一些示例中，可以在沿电极64的表面的各个位置处不同地处理每个电极64。例如，可以沿主要y轴方向以三个不同的处理环境和能量源参数来处理每个电极64。电极64可以由介电材料(例如，电绝缘聚合物、氧化物等等)分开。
图6是示出示例三维电极表面的概念图。在一些示例中，如图6所示的，金属基板72可以具有基本上圆柱形的形状并且被定位在引线主体74周围或环绕引线主体74。虽然圆柱体被示出为具有圆形横截面，但是该横截面可以是椭圆形或以其他方式偏离圆形形状。在一些示例中，不是完全环绕引线主体74，而是电极可以部分地环绕引线主体74的周界并且可以定义弧形或抛物线形横截面。
示例
比较性示例1-5
图7A-7E是示出在空气中被能量纹理化的1级钛箔的样本的图像。图7A-7E揭示了在保持其他变量恒定时改变循环数量(在同一位置上的扫描的数量)可以如何影响纹理化的深度。可以使用Satsuma HP3光纤激光器(可从法国佩萨克(Pessac，France)的幅度***公司(Amplitude Systemes)获得)执行能量纹理化。使用约360飞秒的脉冲持续时间、约1030纳米的波长、约20微米的聚焦体积、约100毫米的f-θ透镜的焦距、以及约100毫米每秒的扫描速度来操作Satsuma激光器。使用奥林巴斯(Olympus)LEXT激光共焦显微镜(可从日本东京的奥林巴斯公司获得)收集被纹理化的基板的光学图像，并且使用日立(Hitachi)SU5000肖特基场发射扫描电子显微镜(可从加利福尼亚州查特斯沃斯市(Chatsworth,California)的日立高科技美国公司(Hitachi High Technologies America,Inc.)获得)收集扫描电子显微镜图像。
在图7A-7E、图8A和图8B所示的样本的表面纹理化期间，线间距被保持恒定在约50μm，能量脉冲的重复率被保持恒定在约100kHz，并且能量脉冲的能量被保持恒定为约17.6μJ。随着循环数量从1个循环增加到约30个循环，钛箔的纹理化的深度也增大，从约2.7微米(1个循环；图7A)到约20微米(10个循环；图7B)、到约20微米与约40微米之间(20个循环；图7C)、到约40微米(30个循环；图7D)。但是从约30个循环(图7C)到约40个循环(图7E)，钛箔的纹理化的深度保持恒定在约40μm。
图8A和图8B是示出在空气中被能量纹理化的钛箔样本的图像。具体而言，图8A和图8B是图7B所示的样本在不同放大等级下的图像。图8A示出了50.0μm的标尺并且图8B示出了100μm的标尺。如图8A和图8B所示，这些处理参数导致明确定义的平行沟道被形成在钛箔中。
比较性示例6-9
图9A-9E是示出已经在空气环境中用能量脉冲被纹理化的样本的图像。除了本文所描述的差异之外，用于图9A-9E所示的样本的处理参数与比较性示例1-5中所描述的那些处理参数相同。使用包括约30μm的线间距和约20个循环的能量脉冲参数执行图9A、图9B和图9E。使用散焦约500μm(将台相对于f-θ透镜降低约500μm)的能量束来制备图9A。与图9A和图9B一样的是，使用约20个循环制备图9D。与图9A和图9B相反的是，使用约70μm的线间距而不是约30μm的线间距来制备图9D。从图9A和图9B所示的约30μm的线间距以及图9D示出的约70μm的线间距，沟道之间的间隔可视地不同。图9C示出了使用散焦能量束、约30μm的线间距、和约50个循环来制备的样本的显微照片。与图9A、图9B、图9D和图9E所示的图像相比，图9C具有相对更明确定义的沟道。图9E是图9B的扫描图案的线的端部的放大图像。图9E描绘了沟道可以在能量束的扫描方向改变的位置附近由于扫描速度的降低而具有增大的沟道深度。图9A-9E示出了循环数量的增加可以创建包括沟道的更多明确定义的表面形态。
比较性示例10
图10A-10C是使用散焦能量束制备的样本在不同放大级别下的图像。除了本文所描述的差异之外，用于图10A-10C所示的样本的处理参数与比较性示例1-5中所描述的那些处理参数相同。线间距为约30μm、循环数量为约50、脉冲能量为约50μJ、并且通过将台相对于f-θ透镜的焦点移动约500μm来使能量束散焦。通过将图8A和图8B与图10A-10C进行比较，示出了可以通过改变能量脉冲参数来创建的不同表面形态。例如，图10A-10C将表面形态示出为单独的峰或圆锥状的形状，并且图8A和图8B示出了可以被描述为沟槽或沟道的表面形态。
比较性示例11
图11A是示出包括主要在x轴方向上的扫描和主要在y轴方向上的扫描两者的光栅图案的概念图。图11A所示的扫描图案用于制备图11B-11D所示的样本。除了本文所描述的差异之外，用于图11B-10D所示的样本的处理参数与比较性示例1-5中所描述的那些处理参数相同。图11B-11D是以不同放大率拍摄的使用约20个循环的能量脉冲和图11A所示的扫描图案来被纹理化的基板的表面形态的显微照片。在使用x轴和y轴扫描来纹理化钛箔之后，该钛箔包括网格状图案的重叠沟槽。
比较性示例12和13
图12A和图12B是在氮环境中使用能量脉冲并且使用不同数量的循环完成的基板上的表面形态的显微照片。除了本文所描述的差异之外，用于图12A-13B所示的样本的处理参数与比较性示例1-5中所描述的那些处理参数相同。对于图12A所示的样本，能量脉冲参数包括约30μm的线间距、约25个循环、约17.6μJ的脉冲能量、以及散焦光束。对于图12B所示的样本，除了循环数量之外，能量脉冲参数相同。代替用于图12A的约25个循环，使用约50个循环来制备图12B的样本。类似于图7A-7E，图12A和图12B所示的样本示出了在保持其他能量脉冲参数恒定时改变循环数量的影响。使用如图12所示的样本的循环数量的约两倍的循环数量，图12B所示的样本示出了循环数量的增加可以增大钛箔的表面形态被明确定义的程度。
图13A和图13B是在在不同分辨率下的示出图12A所示的钛箔上的表面形态的显微照片。图13A具有50μm的分辨率标度，并且图13B具有100μm的分辨率标度。图13A和图13B示出了在钛箔表面上的金字塔状形状。
比较性示例14
图14A和图14B是在不同分辨率下的示出在氮环境中使用能量脉冲完成的钛箔上的表面形态的显微照片，其中线间距约50μm、循环约25个、并且脉冲能量约17.6μJ。用于图14A和图14B所示的样本的其他处理参数与比较性示例1-5中所描述的那些处理参数相同。图14A的图像是图14B的放大图像。图14A和图14B示出了在氮中的能量脉冲纹理化可以如何创建跟踪能量束的光栅图案的明确定义的沟道。
示例1
图15是在水中被能量纹理化的钛箔上的表面形态的显微照片。除了本文所描述的差异之外，用于图15所示的样本的处理参数与比较性示例1-5中所描述的那些处理参数相同。使用约30μm的线间距、约100kHz的能量脉冲重复率、约19.5μJ的脉冲能量、以及约20个循环来制备样本。如图15所示，在水中的钛箔的表面上的能量纹理化不像在空气中或氮气中的那些能量纹理化一样形成沟槽。虽然不希望受到操作的任何理论的约束，但是这被认为是由于水对能量脉冲的吸收。在水中进行纹理化主要在钛箔的表面上创建几微米深的亚微米结构。
示例2
图16A和图16B是在不同分辨率下示出在水中被能量纹理化的钛箔的表面形态的显微照片。除了本文所描述的差异之外，用于图16A和图16B所示的样本的处理参数与比较性示例1-5中所描述的那些处理参数相同。使用约30μm的线间距、约25个循环、约100kHz的能量脉冲重复率、以及约17.6μJ的脉冲能量来制备图16A和图16B所示的样本。如由图16A和图16B所示的，在水环境中被纹理化的钛箔的表面形态可包括气泡状结构，而不是当在空气或气体氮环境中使用类似参数进行表面纹理化时产生的沟道。
示例3
图17A和图17B是在不同放大率下的示出在水中被能量纹理化的钛箔的表面形态的显微照片。除了本文所描述的差异之外，用于图17A和图17B所示的样本的处理参数与比较性示例1-5中所描述的那些处理参数相同。使用约50μm的线间距、约20个循环、约100kHz的能量脉冲重复率、以及约19.5μJ的脉冲能量来制备图17A和图17B所示的样本。因此，使用与图16A和图16B所示的样本相比更高的脉冲能量、更大的线间距、以及更少的循环来制备图17A和图17B所示的样本。图17A和图17B所示的样本的气泡的特征大小小于图16A和图16B所示的样本。
示例4
图18A和图18B是在不同放大率下的示出在稀释的过氧化氢中被能量纹理化的钛箔的表面形态的显微照片。除了本文所描述的差异之外，用于图18A和图18B所示的样本的处理参数与比较性示例1-5中所描述的那些处理参数相同。使用约50μm的线间距、约25个循环、约100kHz的能量脉冲重复率、以及约17.6μJ的脉冲能量来制备图18A和图18B所示的样本。类似于图15-17B，图18A和图18B所示的钛箔的表面形态可以被描述为气泡状的。
示例5
图19A和图19B是在不同放大率下的示出在稀释的过氧化氢中被能量纹理化的钛箔的表面形态的显微照片。除了本文所描述的差异之外，用于图19A和图19B所示的样本的处理参数与比较性示例1-5中所描述的那些处理参数相同。使用约50μm的线间距、约25个循环、约400kHz的能量脉冲重复率、以及约17.6μJ的脉冲能量来制备图19A和图19B所示的样本。因此，除了脉冲重复率之外，用于图19A和图19B所示的钛箔的处理参数与制备图18A和图18B所示的钛箔所使用的那些处理参数基本相似。类似于图18A和图18B中的样本，图19A和图19B中的钛箔的表面形态可以被描述为气泡状的。
示例6
图20A-20C是在不同放大率下的示出在稀释的过氧化氢中被能量纹理化的钛箔的表面形态的显微照片。除了本文所描述的差异之外，用于图20A-20C所示的样本的处理参数与比较性示例1-5中所描述的那些处理参数相同。使用约30μm的线间距、约25个循环、约100kHz的能量脉冲重复率、以及约17.6μJ的脉冲能量来制备图20A-20C所示的样本。图20A-20C中钛箔的表面形态可被描述为气泡状的。
示例7
图21A-21C是在不同放大率下的示出在水中被能量纹理化的铌(Nb)箔的表面形态的显微照片。除了本文所描述的差异之外，用于图21A-21C所示的样本的处理参数与比较性示例1-5中所描述的那些处理参数相同。可以使用Tangerine HP光纤激光器(可从法国佩萨克的幅度***公司获得)来执行能量纹理化。使用约300飞秒的脉冲持续时间、约15μm的线间距、约200kHz的能量脉冲重复率、约26μJ的脉冲能量、约1500毫米每秒的扫描速度、约0.2焦耳每平方厘米(J/cm2)的能量强度、以及约300个循环来操作Tangerine HP激光器。图21A-20C中Nb箔的表面形态可被描述为气泡状的。
示例8
图22A-22C是在不同放大率下的示出在百分之五乙酸中被能量纹理化的铌箔的表面形态的显微照片。除了约0.1J/cm2的能量强度和在百分之五乙酸中而不是在水中纹理化样本之外，用于图22A-22C所示的样本的处理参数与示例7所描述的那些处理参数基本上相同。图22A-22C所示的样本的气泡的特征大小小于图21A-21C所示的样本。
示例9
图23A-23C是在不同放大率下的示出在百分之五乙酸中被能量纹理化的钛箔的表面形态的显微照片。除了约0.05J/cm2的能量强度和样本是与水中的铌箔相对的在百分之五乙酸的钛箔之外，用于图23A-23C所示的样本的处理参数与示例7所描述的那些处理参数基本上相同。
已经描述了各个示例。这些以及其他示例在所附权利要求的范围内。

Claims (13)

1.一种***，包括：
聚焦***；
能量源，所述能量源被配置成向所述聚焦***输出能量脉冲；
腔室，所述腔室围绕金属基板的至少一部分，并且所述腔室容纳与所述金属基板的表面接触的液体；以及
控制器，所述控制器被配置成：
使所述能量源向所述聚焦***输出能量脉冲；以及
使所述聚焦***在与所述液体接触的所述金属基板的所述表面处或附近聚焦所述能量脉冲的聚焦体积，以在所述金属基板上创建微米尺度或更小的表面纹理化。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述能量脉冲导致与所述液体接触的所述金属基板的所述表面的表面化学成分的修改。
3.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述能量脉冲导致与所述液体接触的所述金属基板的所述表面的氧化。
4.如权利要求1到3中任一项所述的***，其特征在于，所述液体包括以下各项中的至少一项：水、过氧化氢、氢氧化铵、胺、酒精、硅油、乙酸、羧酸、无机酸、酮、酯、和有机流体。
5.如权利要求1到4中任一项所述的***，其特征在于，所述能量源被配置成输出具有飞秒或皮秒持续时间的所述能量脉冲。
6.如权利要求1到5中任一项所述的***，其特征在于，进一步包括所述金属基板，其中所述金属基板是医疗设备的电极。
7.如权利要求6所述的***，其特征在于，所述控制器被配置成：使所述能量源纹理化位于同一金属基板上的不止一个电极，以通过使用不同液体和不同能量源参数中的至少一者来创建三维电极表面。
8.如权利要求1到7中任一项所述的***，其特征在于，在所述能量脉冲在所述金属基板上创建微米尺度或更小的表面纹理化之前，在所述金属基板的所述表面处或附近形成宏观尺度或微米尺度的结构，以在所述金属基板的所述表面处或附近创建微米尺度和纳米尺度的特征的组合。
9.如权利要求1到8中任一项所述的***，其特征在于，所述控制器被配置成：使所述聚焦***改变所述聚焦体积相对于所述金属基板的所述扫描速度，以改变在所述金属基板上的所述表面纹理化的深度。
10.如权利要求1到9中任一项所述的***，其特征在于，所述控制器被配置成：使所述聚焦体积和所述金属基板以光栅图案来相对于彼此移动，所述光栅图案具有在约1微米(μm)到约500μm之间范围内的线间距。
11.如权利要求1到10中任一项所述的***，其特征在于，所述控制器被配置成：使所述能量源控制所述能量脉冲的持续时间。
12.如权利要求1到11中任一项所述的***，其特征在于，所述控制器被配置成：使所述能量源输出具有在约0.01焦耳每平方厘米(J/cm2)到约50J/cm2之间的能量强度范围的所述能量脉冲。
13.如权利要求1到12中任一项所述的***，其特征在于，能量脉冲导致与所述液体接触的所述金属基板的所述表面以基本上非均匀的图案被纹理化。
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