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长三角G60激光联盟导读
本文综述了直接飞秒激光表面纳米/微结构及其应用的一个新领域 。 本文为第一部分 。
摘要
在过去几年中 ， 直接飞秒激光表面处理已区别于其他传统的激光烧蚀方法 ， 并由于其灵活性、简单性和可扩展性 ， 成为在金属和半导体上创建纳米和微尺度表面结构的最佳方法之一 ， 以及创建适合广泛应用的各种类型的纳米/微结构的可控性 。 最近 ， 在应用该技术改变金属和半导体的光学性质方面取得了重大进展 。 因此 ， 产生了高吸收金属和半导体 ， 被称为“黑色金属”和“黑色硅” 。 此外 ， 通过对金属进行结构着色 ， 还创造了除黑色以外的各种颜色 。 直接飞秒激光加工还能够生产润湿性能从超亲水到超疏水的新型材料 。 在极端情况下 ， 产生了超芯吸材料 ， 可以使液体在扩展的表面积上克服重力垂直向上流动 。 尽管迄今为止已经取得了令人印象深刻的科学成就 ， 但飞秒激光直接加工仍然是一个年轻的研究领域 ， 预计将出现许多令人振奋的发现 。
1、介绍
表面形貌是控制固体表面的光学、机械、润湿、化学、生物和其他特性的关键因素 。 近年来 ， 飞秒激光表面纳米结构已成为一种新型、多功能的技术 ， 用于生产各种纳米结构材料 ， 适用于光子学、等离子体电子学、光电子、生物化学传感、微/纳米流体学、光流体学、生物医学和其他领域的广泛应用 。 在过去的十年中 ， 该技术由于以下优点而受到了大量的研究关注：（1）能够加工几乎所有类型的材料 ， 包括金属、半导体、玻璃和聚合物；（2）非平面加工能力；（3）能够在表面区域从微尺度到宏观尺度产生纳米结构；（4）在正常环境条件下 ， 无掩膜单步高速处理 ， 无需洁净室环境 。
F=0.084 J/cm2的飞秒激光处理后钛的表面纳米形貌 。
首次显示了基于飞秒激光脉冲烧蚀（即从辐照样品1中喷射材料）的材料纳米加工的可能性 。 随后 ， 开发了几种用于表面纳米结构的飞秒激光技术 ， 如掩模投影技术、近场烧蚀、激光辅助化学蚀刻 ， 通过飞秒激光烧蚀羽的沉积实现纳米织构 ， 通过飞秒激光诱导熔体实现金属薄膜的纳米结构 ， 等离子体纳米烧蚀 ， 直接飞秒激光烧蚀和干涉飞秒激光烧蚀 。 在许多研究中 ， 研究发现 ， 先前使用长脉冲激光器生成的激光诱导周期性表面结构（LIPS）也可以通过飞秒激光脉冲在半导体、玻璃、金属、聚合物和其他材料上生成 。 随着飞秒激光纳米结构的发展 ， 已经创造了新材料 ， 例如黑色硅、黑色有色金属、有色硅 ， 以及具有强疏水性、亲水性 ， 甚至具有液体传输超芯效应的材料 。 此外 ， 已经证明 ， 飞秒激光诱导的表面结构可以成功地用于显著增强X射线产生、光电子发射和来自白炽光源的热辐射 ， 一项研究表明 ， 通过飞秒激光表面结构 ， 可以使人牙釉质和牙本质超湿润 ， 以增强牙科修复材料的粘附力 。
（a）和（b）水平放置的激光处理牙釉质表面上的水扩散动力学 。 （c）（d）垂直放置（在线增强）激光处理牙釉质表面上的水扩散动力学 。
在上面列出的所有飞秒激光诱导表面结构技术中 ， 直接飞秒激光烧蚀处理是近年来研究最活跃的表面纳米结构构建方法 ， 因为其灵活性、简单性和产生适合广泛应用的多种表面结构的能力 。 在这篇综述文章中 ， 我们将重点介绍使用飞秒激光直接烧蚀处理方法的金属表面纳米结构 ， 重点介绍作者获得的结果 。 我们将讨论激光诱导的表面结构修饰及其对材料性能的影响 。 此外 ， 我们将简要讨论半导体的表面纳米结构 。
2、直接飞秒激光加工表面微纳结构
许多工作讨论了飞秒激光烧蚀的物理过程 。 图1显示了飞秒激光脉冲与金属的相互作用动力学 ， 从而导致烧蚀和表面结构的形成 。 当飞秒激光脉冲撞击金属表面时 ， 脉冲能量将首先通过10 nm厚的皮肤层上的逆韧致辐射机制被电子吸收 。 在大多数情况下 ， 由于电子-电子相互作用时间较短 ， 可以假设激发电子的热化是瞬时发生的 。 因此 ， 金属中非平衡系统的整体图景通常被描述为构成两个亚平衡系统 ， 即热电子和冷晶格 。 该瞬态双温系统将通过电子-声子相互作用以及电子从激发区扩散在几皮秒内趋于平衡 。 该动态过程由双温模型描述 。 当晶格温度升高到足够高时 ， 可能会发生熔化和烧蚀（膨胀） 。 熔化发生在皮秒时间尺度上——在几百皮秒之间 。 材料烧蚀通常在飞秒激光脉冲后几十皮秒开始 ， 并可持续数纳秒 。 烧蚀可能通过几种不同的机制发生 ， 例如相爆炸（爆炸沸腾）、蒸发、层裂和碎裂 。 烧蚀材料的羽流由中性原子、离子、团簇和纳米粒子组成 ， 具体取决于激光辐照参数 。 烧蚀后 ， 样品表面以约1013? 1015 K/s的很高速率冷却 ， 并迅速重新固化 ， 形成表面结构 。 激光诱导表面结构的形态取决于激光参数 。 烧蚀中产生的一些纳米颗粒沉积回样品上 ， 并形成纳米结构膜 。 纳米颗粒的再沉积取决于环境气体压力 。
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