CN112959005B - 一种在铜表面制造长期高效减反微纳结构的方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高导热介质技术领域，公开了一种在铜表面制造长期高效减反微纳结构的方法，包括：将紫铜和/或铜单质样品进行抛光处理；将抛光后样品置于激光加工平台，使用脉冲激光对其进行预设的路径扫描，获得具有微纳复合结构的样品表面，将其封装进真空袋中；将得到的样品置于磁控溅射设备的样品炉内，在微纳结构表面生长一层二氧化硅保护膜，获得长期高效的长期高效减反微纳结构。本发明在铜表面制备出具有减反特性的微纳结构，其后通过镀膜的方法在微纳结构表面生长一层惰性薄膜进行保护，使其具备长期高效的减反功能特性；通过控制磁控溅射的镀膜时间，灵活控制二氧化硅保护层的厚度，提供强度性能的保护层，有效解决铜表面减反结构失效问题。

Description

一种在铜表面制造长期高效减反微纳结构的方法及应用
技术领域
本发明属于高导热介质技术领域，尤其涉及一种在铜表面制造长期高效减反微纳结构的方法及应用。
背景技术
目前，铜具有优良的导热特性，紫铜又名红铜，是工业纯铜，其电导率和热导率仅次于贵金属银，广泛用于制备导电、导热和散热器件，是CPU、GPU、LED、LD等功率散热器件上最常用的高导热介质。
然而铜以及铜合金都不能高效吸收可见光、近红外光和长波红外。在可见光波段(400nm～700nm)铜的平均反射率大于50％，在波长700nm至中红外反射率平均大于80％。因此，铜通常作为光波的高反射介质，例如古代化化妆用的铜镜、现代光学镜片上的铜膜反射镜，优化后的铜膜镜片反射率超过95％。铜等合金的反射率曲线如图5所示。
在强光或者强散射光环境，需要用吸收体将散射光全部吸收，被吸收的散射光通常转换为热量，通过金属热沉(铜单质、铜合金、铝合金等)或其他散热方式将热量带走。紫铜是性能优异的热导体，适合做热沉材料；但紫铜对可见光、近红外、中红外等电磁辐射吸收率很低，因此亟需一种大幅降低铜表面反射率的方法。
激光处理的微纳结构表面在诸多功能器件的研究中具有重要的应用，如宽谱减反、亚波长增透、超亲/疏水表面、光学偏振器件等。一般来说，材料表面的功能特性主要取决于材料的化学组分和表面结构。对于同一种基底材料而言，其化学组分已经决定了其本身的固有特性，因此材料的表面结构对于整体的功能特性就起着至关重要的作用。无论是实现何种功能特性的表面，都需要在表面构建特定的微纳结构，同时调控其表面成分。纳秒激光、皮秒激光、飞秒激光扫描材料表面能产生微米-纳米多峰结构，已发展成为一种不可替代的表面微纳结构的制备新方法。20世纪90年代末，Eric Mazur教授团队首次报道“黑硅”这种新材料并对“黑硅”做了***的研究。研究表明飞秒激光刻蚀单晶硅能够在其表面产生周期尖锥微米结构，这种结构大幅降低了硅材料的表面反射率。同时，他们发现飞秒激光参数对黑硅微观结构有着显著的影响，不同背景气体和脉宽制备条件对黑硅的光吸收特性也有着显著的影响，氧族元素在硅能带内掺杂和散射在红外光吸收特性中具有重要作用和地位。这个发现引起了学术界的极大关注，十多年来，国内外研究者们将其拓展到不同材料的多种功能微纳结构的制备中去，取得了一系列突破性进展。
利用纳秒或者飞秒脉冲激光制备微纳结构表面，能够在钛合金、铝合金、钨单质、铂单质等金属表面实现对可见光及红外光的高效吸收。通过纳秒/飞秒混合法，或者结合高吸收的纳米颗粒等方法，能够将反射率降低到5％以内，部分金属能够降低到1％以内。使用钛宝石激光、Yb激光和Nd激光等不同波长的激光制备铜单质表面结构都能够实现有效的光吸收。然而反射率随时间退化的问题始终存在：在空气中放置3-4周，微结构表面的颜色从深黑色变为紫色或者绿色，是由于铜表面微结构氧化的原因。为了防止表面微纳结构的氧化，导致减反效果的失效。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：由于铜表面微结构氧化的原因，在空气中放置3-4周，微结构表面的颜色从深黑色变为紫色或者绿色，反射率随时间退化的问题始终存在。
解决以上问题及缺陷的难度为：使用有效的方法将铜表面的微结构与环境进行长期有效的隔绝，防止其与空气中的氧气进行化学反应，且能够保证激光诱导的铜表面微结构减反功能不受影响。
解决以上问题及缺陷的意义为：表面高效减反性能的金属铜是太阳能选择性吸收体、红外传感、热辐射源、辐射传热设备、生物光学器件、表面拉曼增强等领域中关键功能零部件的重要材料。通过解决铜表面反射率随时间退化的问题，实现铜表面长期高效的减反特性，在光电子、隐身、传感、以及机载/星载设备等领域，具有广泛的应用潜力，对于推动航天航空工业和民用光电工业的发展具有重大意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种在铜表面制造长期高效减反微纳结构的方法，尤其涉及一种使用激光与镀膜结合在铜表面制造长期高效减反微纳结构的方法及应用。
本发明是这样实现的，一种在铜表面制造长期高效减反微纳结构的方法，所述在铜表面制造长期高效减反微纳结构的方法包括以下步骤：
步骤一，将紫铜和/或铜单质样品进行抛光处理；
步骤二，将抛光后样品置于激光加工平台，使用脉冲激光对其进行预设的路径扫描，获得具有微纳复合结构的样品表面，并封装进真空袋中；
步骤三，将步骤二得到的样品置于磁控溅射设备的样品炉内，在微纳结构表面生长一层二氧化硅保护膜，获得长期高效的长期高效减反微纳结构。
进一步，步骤二中，使用波长200nm～5000nm的纳秒、皮秒或者飞秒激光，通过透镜、f-θ场镜、显微物镜将激光光源聚焦在铜样品表面；
进一步，步骤二中，通过光束摆动或者样品移动在铜表面进行扫描，在铜表面制备正方形网格、六边形网格、二维沟槽结构，基于脉冲激光与物质相互作用机理，在表面能够形成微米-纳米的复合结构；
进一步，步骤三中，表面微纳结构形成以后，用磁控溅射的方法，利用二氧化硅靶材，在微纳结构表面溅射一层二氧化硅薄膜，或者碳化硅、氮化硅、氧化铝薄膜，利用真空封装后将样品进行二次处理。
进一步，步骤三中，二氧化硅的厚度在10nm～10μm之间。
本发明的另一目的在于提供一种由所述在铜表面制造长期高效减反微纳结构的方法制造的减反微纳结构。
本发明的另一目的在于提供一种由所述减反微纳结构制备的导电器件。
本发明的另一目的在于提供一种由所述减反微纳结构制备的导热器件。
本发明的另一目的在于提供一种由所述减反微纳结构制备的散热器件器件。
本发明的另一目的在于提供一种功率散热器件，所述功率散热器件上安装有的器件。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的在铜表面制造长期高效减反微纳结构的方法，在铜表面制备出具有减反特性的微纳结构，其后通过镀膜的方法在微纳结构表面生长一层惰性薄膜进行保护，使其具备长期高效的减反功能特性。
本发明通过脉冲激光的高功率密度特性可在铜表面构件出丰富的微纳复合结构，从而实现金属表面的高效减反特性；采用脉冲激光处理后的铜表面在可见光环境下呈现深黑色；通过控制磁控溅射的镀膜时间，可以灵活控制二氧化硅保护层的厚度，能够提供强度性能的保护层，从而制备出应用环境不同的减反特性表面。同时，本发明在制备的微纳结构表面用磁控溅射二氧化硅、碳化硅或氮化硅等纳米惰性薄膜，有效解决了铜表面减反结构失效问题。
本发明采用脉冲激光扫描铜单质表面，可在铜表面制备出规则的微纳复合结构，之后在微纳结构表面进行惰性薄膜生长，使其具备长期高效的减反功能特性。此外，本发明中加工激光的选择范围大，扩展了适用范围。
附图说明
图1是本发明实施例提供的在铜表面制造长期高效减反微纳结构的方法流程图。
图2是本发明实施例提供的铜表面长期减反结构制备工艺示意图。
图3(a)是本发明实施例提供的可见光相机拍摄的用纳秒和飞秒激光在紫铜表面制备的微纳结构示意图。
图3(b)是本发明实施例提供的用纳秒和飞秒激光在紫铜表面制备的微纳结构的扫描电镜图片，显示周期20μm的阵列。
图4是本发明实施例提供的用飞秒激光在紫铜表面制备微纳结构的反射特性曲线，以及镀SiO2保护膜的反射特性曲线示意图。
图5是本发明实施例提供的铜等合金的反射率曲线示意图。
图6是本发明实施例提供的铜的水滴接触角图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种在铜表面制造长期高效减反微纳结构的方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的在铜表面制造长期高效减反微纳结构的方法包括以下步骤：
S101，将紫铜和/或铜单质样品进行抛光处理；
S102，将抛光后样品置于激光加工平台，使用脉冲激光对其进行预设的路径扫描，获得具有微纳复合结构的样品表面，并封装进真空袋中；
S103，将S102得到的样品置于磁控溅射设备的样品炉内，在微纳结构表面生长一层二氧化硅保护膜，获得长期高效的长期高效减反微纳结构。
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
实施例1
1、本发明的主要结构与原理
铜表面长期减反结构制备工艺示意图如图2所示。
2、发明目的
本发明的目的在于提供一种铜表面长期高效减反微纳结构极其制备方法，采用脉冲激光扫描铜单质表面，可在铜表面制备出规则的微纳复合结构，之后在微纳结构表面进行惰性薄膜生长，使其具备长期高效的减反功能特性。此外，本发明中加工激光的选择范围大，扩展了适用范围。
本发明用纳秒、皮秒和飞秒激光在铜单质表面制备了各种微纳加工，测试了反射率，在可见光波段具有很低的反射(＜5％)，在近红外反射率也降低到20％以内。用纳秒、皮秒或者飞秒激光在紫铜或者铜合金表面制备微纳结构，能够有效吸收可见光和近红外光；被吸收的入射光能量转化成热量，紫铜或者铜合金的高导热特性能迅速将热量传递出去，再通过风冷、水冷或者其他热沉将热量传导到环境中去。然而微纳结构与空气接触面积大，容易发生氧化、氮化等化学反应，降低微纳结构表面的减反效果；为了避免减反效果的退化，在微纳结构表面通过磁控溅射、喷涂、蒸镀、气相沉积、激光薄膜沉积、电镀等方式，生长一层二氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化铝等惰性薄膜，阻止微纳表面结构与空气发生化学反应，从而确保铜表面的微纳结构的减反效果长期有效。
激光制备的表面微纳结构有时也具备亲水性或者疏水性，这种微纳结构的水润湿性质在长期放置在空气环境中，也会随时间增加而退化，其机理与减反退化机理一样，由于界面与空气中的某些成分发生化学反应，导致水的润湿性质变化。对于激光制备的微纳结构润湿性退化的问题，在微纳结构表面生长惰性薄膜的方法同样有效。
3、技术方案
本发明的技术解决方案是：一种在铜表面制造长期高效减反微纳结构的方法，其特殊之处在于：通过两步制备的方法，首先在铜表面制备出具有减反特性的微纳结构，其后通过镀膜的方法在微纳结构表面生长一层惰性薄膜进行保护，使其具备长期高效的减反功能特性。
第一步，使用波长200nm～5000nm的纳秒、皮秒或者飞秒激光，通过透镜、f-θ场镜、显微物镜等聚焦镜，将激光光源聚焦在铜样品表面；通过光束摆动或者样品移动在铜表面进行扫描，在铜表面制备正方形网格、六边形网格、二维沟槽等结构，基于脉冲激光与物质相互作用机理，在表面能够形成微米-纳米的复合结构(如图3所示)。
第二步，表面微纳结构形成以后，不要长时间暴露在空气之中，利用真空封装后将样品进行二次处理。本例中，具体的方式是用磁控溅射的方法，利用二氧化硅靶材，在微纳结构表面溅射一层二氧化硅薄膜，或者碳化硅、氮化硅、氧化铝薄膜，阻止微纳表面结构与空气发生化学反应，从而确保铜表面的微纳结构的减反效果长期有效。二氧化硅的厚度在10nm～10μm之间。
具体可以按照以下步骤实现：
(1)将紫铜(铜单质)样品进行抛光处理；
(2)将抛光后样品置于激光加工平台，使用脉冲激光对其进行预设的路径扫描，获得具有微纳复合结构的样品表面，将其封装进真空袋中；
(3)将步骤(2)得到的样品置于磁控溅射设备的样品炉内，在微纳结构表面生长一层二氧化硅保护膜，获得长期高效的长期高效减反微纳结构。
实施例2
本发明实施例提供的在铜表面制造长期高效减反微纳结构的方法，具体步骤为：
(1)使用抛光机对铜单质表面进行机械抛光，得到加工样品。
(2)采用纳秒激光对铜样品表面进行二维沟槽扫描，获得减反微纳结构表面。其中二维沟槽间距30μm；纳秒激光的参数为：重复频率100kHz，中心波长532nm，脉冲宽度10ns，激光功率20W。
(3)采用磁控溅射方法对步骤(2)中获得样品表面进行二氧化硅保护层镀膜，获得具有惰性保护层的减反微纳结构表面。其中磁控溅射的参数为：压强0.5Pa，氩气流量38L/min，功率160W。
实施例3
本发明实施例提供的在铜表面制造长期高效减反微纳结构的方法，具体步骤为：
(1)使用抛光机对铜单质表面进行机械抛光，得到加工样品。
(2)采用皮秒激光对铜样品表面进行正方形网格扫描，获得减反微纳结构表面。其中正方形网格边长20μm；皮秒激光的参数为：重复频率200kHz，中心波长1030nm，脉冲宽度10ps，激光功率2000mW。
(3)采用磁控溅射方法对步骤(2)中获得样品表面进行二氧化硅保护层镀膜，获得具有惰性保护层的减反微纳结构表面。其中磁控溅射的参数为：压强0.5Pa，氩气流量38L/min，功率160W。
实施例4
本发明实施例提供的在铜表面制造长期高效减反微纳结构的方法，具体步骤为：
(1)使用抛光机对铜单质表面进行机械抛光，得到加工样品。
(2)采用飞秒激光对铜样品表面进行正方形网格扫描，获得减反微纳结构表面。其中正方形网格边长20μm；飞秒激光的参数为：重复频率200kHz，中心波长1030nm，脉冲宽度220fs，激光功率1000mW。
(3)采用磁控溅射方法对步骤(2)中获得样品表面进行二氧化硅保护层镀膜，获得具有惰性保护层的减反微纳结构表面。其中磁控溅射的参数为：压强0.5Pa，氩气流量38L/min，功率160W。
本实施例所制得的步骤(2)(3)表面微纳结构的反射特性曲线如图4所示，通过具有积分球的分光光度计可以测定样品在250nm～2000nm波段的反射特征曲线。
实施例5
本发明实施例提供的在铜表面制造长期高效疏水微纳结构的方法，具体步骤为：
(1)使用抛光机对铜单质表面进行机械抛光，得到加工样品。
(2)采用飞秒激光对铜样品表面进行正方形网格扫描，获得减反微纳结构表面。其中正方形网格边长20μm；飞秒激光的参数为：重复频率200kHz，中心波长1030nm，脉冲宽度220fs，激光功率1000mW。
(3)采用磁控溅射方法对步骤(2)中获得样品表面进行二氧化硅保护层镀膜，获得具有惰性保护层的减反微纳结构表面。其中磁控溅射的参数为：压强0.5Pa，氩气流量38L/min，功率160W。
本实施例所制得的步骤(3)表面微纳结构的水滴接触角如图6所示，通过水滴角测试仪可以测定样品的水滴接触角。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种在铜表面制造长期高效减反微纳结构的方法，其特征在于，所述在铜表面制造长期高效减反微纳结构的方法包括：
步骤一，将紫铜和/或铜单质样品进行抛光处理；
步骤二，将抛光后样品置于激光加工平台，使用脉冲激光对其进行预设的路径扫描，获得具有微纳复合结构的样品表面，并装进真空袋中；
步骤三，将得到的样品置于磁控溅射设备的样品炉内，在微纳复合结构表面生长一层二氧化硅保护膜，获得减反微纳结构；
在步骤二中使用波长200nm~5000nm的纳秒、皮秒或者飞秒激光，通过透镜、f-场镜、显微物镜将激光光源聚焦在样品表面；
在步骤二中通过光束摆动或者样品移动在铜表面进行扫描，在铜表面制备正方形网格、六边形网格或二维沟槽结构，基于脉冲激光与物质相互作用机理，在表面能够形成微纳复合结构。
2.如权利要求1所述的在铜表面制造长期高效减反微纳结构的方法，其特征在于，在步骤三中表面微纳复合结构形成以后，用磁控溅射的方法，利用二氧化硅靶材，在微纳复合结构表面溅射一层二氧化硅薄膜，利用真空封装后将样品进行二次处理。
3.如权利要求1所述的在铜表面制造长期高效减反微纳结构的方法，其特征在于，在步骤三中二氧化硅的厚度在10nm~10μm。
4.一种由权利要求1~3任意一项所述在铜表面制造长期高效减反微纳结构的方法制造的减反微纳结构。
5.一种由权利要求4所述减反微纳结构制备的导电器件。
6.一种由权利要求4所述减反微纳结构制备的导热器件。
7.一种由权利要求4所述减反微纳结构制备的散热器件。
8.一种功率散热器件，其特征在于，所述功率散热器件上安装有权利要求5、6或7任意一项所述的器件。
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