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

來源：微流控

基于飛秒激光的直寫技術具有高精度、無掩模、非接觸及立體加工等優(yōu)點，是當前微納加工領域的關鍵技術之一。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，從而突破光學衍射極限實現(xiàn)一百納米量級的加工精度；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、陶瓷等材料時能夠直接將材料轉變?yōu)榈入x子體，加工熱影響區(qū)域極小。近年來，飛秒激光直寫技術已在微納光學、光信息存儲、仿生材料、生物醫(yī)學診療等領域都得到了廣泛的應用，為相關領域的納米結構加工需求提供了有效的解決方案。

形貌連續(xù)漸變的微納針形結構能夠產生非對稱拉普拉斯壓力、構建皮牛量級力學環(huán)境、調節(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用前景。

近年來，非接觸、無掩模的激光直寫加工技術發(fā)展迅速，為加工微納針形結構提供了許多新思路。相比徑跡刻蝕法、微球輔助刻蝕、微納米壓印等微納針形結構的傳統(tǒng)加工方法，基于雙光子聚合（Two-Photon Polymerization，TPP）的飛秒激光直寫技術，能夠靈活地調節(jié)結構的外形、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激光直寫技術主要通過激光焦點的逐點、逐層掃描來構建結構，針形結構底面直徑或高度通常為數(shù)微米至百微米級別，尖端加工精度普遍為百納米量級，不利于構建具有納米量級連續(xù)漸變的針形結構；另一方面，基于激光燒蝕和激光輔助加工的微納針形結構底面直徑以及結構高度通常為數(shù)微米，尖端直徑可以達到100nm以下，但是針形結構的形貌和分布具有很大的隨機性。

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

該論文首先簡要介紹了TPP飛秒激光直寫系統(tǒng)中的基本單元“體素”以及決定體素尺寸的參數(shù)。在此基礎上簡述了常規(guī)的TPP層掃描加工微納針形結構中的問題和不足（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，最終實現(xiàn)形貌連續(xù)漸變的微納針形結構加工，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構形貌

圖2 單體素加工原理及結構分析

圖3為該研究的實驗裝置與選用的光刻膠材料。在加工中，首先標定了在不同的激光功率下體素的尺寸大小。隨后，設定實驗中掃描速度、光刻膠材料的配比不變，選取入瞳處激光功率作為變量，通過不同的功率參數(shù)實現(xiàn)不同尺寸微納針形結構加工，其加工結果如圖4所示。微納針形結構的理論預測的長度和實驗所得的實際長度基本一致。

圖3 實驗裝置及樣品成分

圖4 微納針形結構加工實驗結果及分析

為進一步獲取微納針形結構的尖端部分的形貌，選取3mW、7mW的尖端結構利用原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）分別進行了表征。如圖5所示，AFM結果顯示針形結構頂端最小高度達到5nm，橫向最小線寬為195nm，且微納針形結構整體連續(xù)漸變。

圖5 針尖結構AFM影像及其形貌分析

最后，為了分析樣品的傾斜角度對微納針形結構的長度和形貌產生的影響，選取了不同的傾斜角度加工出針形結構，并分析其變化規(guī)律，如圖6所示，結構的長度隨傾角的減小而增加，微納針形結構形貌變化速率與傾斜角度成正相關，不同傾角下所得結構的實際長度和理論長度的對比圖，實驗與理論預期高度一致。

圖6 微納針形結構加工實驗結果及分析

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

論文信息：
DOI：10.3788/gzxb20225110.1014001