西北大學(xué)：雙光子聚合飛秒激光單體素加工技術(shù)，用于制備連續(xù)漸變微納針形結(jié)構(gòu)

來(lái)源：微流控

基于飛秒激光的直寫(xiě)技術(shù)具有高精度、無(wú)掩模,、非接觸及立體加工等優(yōu)點(diǎn),，是當(dāng)前微納加工領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一,。一方面,，飛秒激光由于其超高的光子密度,，容易誘發(fā)高分子聚合物材料的雙光子吸收效應(yīng)，從而突破光學(xué)衍射極限實(shí)現(xiàn)一百納米量級(jí)的加工精度,；另一方面,，飛秒激光由于其極窄的脈寬與極高的峰值功率，在飛秒切削加工金屬,、陶瓷等材料時(shí)能夠直接將材料轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體,，加工熱影響區(qū)域極小。近年來(lái),，飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)已在微納光學(xué),、光信息存儲(chǔ)、仿生材料,、生物醫(yī)學(xué)診療等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用,，為相關(guān)領(lǐng)域的納米結(jié)構(gòu)加工需求提供了有效的解決方案。

形貌連續(xù)漸變的微納針形結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生非對(duì)稱拉普拉斯壓力,、構(gòu)建皮牛量級(jí)力學(xué)環(huán)境,、調(diào)節(jié)離子遷徙速率等，在微液滴操控,、生物傳感,、離子整流等方面都有著廣泛的應(yīng)用前景。

近年來(lái),，非接觸,、無(wú)掩模的激光直寫(xiě)加工技術(shù)發(fā)展迅速，為加工微納針形結(jié)構(gòu)提供了許多新思路,。相比徑跡刻蝕法,、微球輔助刻蝕、微納米壓印等微納針形結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)加工方法,，基于雙光子聚合（Two-Photon Polymerization,，TPP）的飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)，能夠靈活地調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的外形,、變化梯度等形貌參數(shù),，且加工周期短，成本低,。

然而,，目前的TPP激光直寫(xiě)技術(shù)主要通過(guò)激光焦點(diǎn)的逐點(diǎn)、逐層掃描來(lái)構(gòu)建結(jié)構(gòu),，針形結(jié)構(gòu)底面直徑或高度通常為數(shù)微米至百微米級(jí)別,，尖端加工精度普遍為百納米量級(jí)，不利于構(gòu)建具有納米量級(jí)連續(xù)漸變的針形結(jié)構(gòu),；另一方面,，基于激光燒蝕和激光輔助加工的微納針形結(jié)構(gòu)底面直徑以及結(jié)構(gòu)高度通常為數(shù)微米，尖端直徑可以達(dá)到100nm以下,，但是針形結(jié)構(gòu)的形貌和分布具有很大的隨機(jī)性,。

針對(duì)以上問(wèn)題，西北大學(xué)白晉濤教授和王凱歌研究員課題組近期于《光子學(xué)報(bào)》期刊發(fā)表論文,，提出一種基于TPP飛秒激光直寫(xiě)系統(tǒng)中的單個(gè)體素結(jié)合一維傾角控制體素空間位置的加工方法,，能夠簡(jiǎn)單高效地加工出具有納米量級(jí)漸變精度的微納針形結(jié)構(gòu)。

該論文首先簡(jiǎn)要介紹了TPP飛秒激光直寫(xiě)系統(tǒng)中的基本單元“體素”以及決定體素尺寸的參數(shù),。在此基礎(chǔ)上簡(jiǎn)述了常規(guī)的TPP層掃描加工微納針形結(jié)構(gòu)中的問(wèn)題和不足（如圖1所示）,。隨后，該研究提出以體素為基本單元,，同時(shí)在加工中引入一維傾角控制體素在樣品中的軸向空間位置,，最終實(shí)現(xiàn)形貌連續(xù)漸變的微納針形結(jié)構(gòu)加工，其原理如圖2所示,。

圖1 飛秒激光雙光子加工體素與層掃描加工微納針形結(jié)構(gòu)形貌

圖2 單體素加工原理及結(jié)構(gòu)分析

圖3為該研究的實(shí)驗(yàn)裝置與選用的光刻膠材料,。在加工中，首先標(biāo)定了在不同的激光功率下體素的尺寸大小,。隨后,，設(shè)定實(shí)驗(yàn)中掃描速度、光刻膠材料的配比不變,，選取入瞳處激光功率作為變量,，通過(guò)不同的功率參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同尺寸微納針形結(jié)構(gòu)加工，其加工結(jié)果如圖4所示,。微納針形結(jié)構(gòu)的理論預(yù)測(cè)的長(zhǎng)度和實(shí)驗(yàn)所得的實(shí)際長(zhǎng)度基本一致,。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置及樣品成分

圖4 微納針形結(jié)構(gòu)加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為進(jìn)一步獲取微納針形結(jié)構(gòu)的尖端部分的形貌，選取3mW,、7mW的尖端結(jié)構(gòu)利用原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope,，AFM）分別進(jìn)行了表征。如圖5所示,，AFM結(jié)果顯示針形結(jié)構(gòu)頂端最小高度達(dá)到5nm,，橫向最小線寬為195nm，且微納針形結(jié)構(gòu)整體連續(xù)漸變,。

圖5 針尖結(jié)構(gòu)AFM影像及其形貌分析

最后,，為了分析樣品的傾斜角度對(duì)微納針形結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度和形貌產(chǎn)生的影響，選取了不同的傾斜角度加工出針形結(jié)構(gòu),，并分析其變化規(guī)律,，如圖6所示,，結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度隨傾角的減小而增加，微納針形結(jié)構(gòu)形貌變化速率與傾斜角度成正相關(guān),，不同傾角下所得結(jié)構(gòu)的實(shí)際長(zhǎng)度和理論長(zhǎng)度的對(duì)比圖,，實(shí)驗(yàn)與理論預(yù)期高度一致。

圖6 微納針形結(jié)構(gòu)加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

綜上,，該研究基于TPP飛秒加工系統(tǒng)的單個(gè)體素,，通過(guò)引入一維角度控制體素的空間位置，成功地在光刻膠中實(shí)現(xiàn)了一系列形貌連續(xù)漸變的微納針形結(jié)構(gòu)的加工,。在該研究中,，加工獲得的微納針形結(jié)構(gòu)頂端最小高度達(dá)到5nm，橫向最小線寬為195nm,，在微納流體力學(xué),、微流控、生物大分子檢測(cè),、仿生核孔等研究方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值,。

論文信息：
DOI：10.3788/gzxb20225110.1014001