一种皮秒激光诱导一步成形石墨烯-金属异质微结构方法及装置

本发明属于功能性微结构制备，涉及一种皮秒激光诱导一步成形石墨烯-金属异质微结构方法及装置。

背景技术：

1、石墨烯材料具有优异的电磁、光学等特性，与金属材料制备的微结构复合形成异质微结构，可实现超级储能、高频电磁波调制、宽频带高效光电探测等特殊功能，此类异质复合结构促进了太赫兹通信、医学诊断、新能源等领域中各种先进功能器件的应用和发展。

2、然而，先进功能器件中石墨烯-金属异质微结构的特征尺寸和分辨率往往十分微小，可达微米级，结构最小厚度可达纳米级，且石墨烯微结构和金属微结构相对位置有严格的尺寸要求，导致异质微结构制备难度极大。文章“arezoomandan,s.；quispe,h.o.c.；ramey,n.；nieves,c.a.；sensale-rodriguez,b.,graphene-based reconfigurableterahertz plasmonics and metamaterials.carbon 2017,112,177-184.”在制备太赫兹超材料过程中，用化学气相沉积加湿转移方法在基体上制备出石墨烯薄膜，通过反应离子刻蚀得到所需石墨烯微结构，随后在石墨烯微结构表面沉积金属薄膜，再对金薄膜进行反应离子刻蚀，成形出所需金属微结构。现有制备方法中石墨烯薄膜和金属薄膜需分别在气氛炉、真空等不同环境中制备，然后再复合成形出异质微结构，制备环境苛刻、工艺步骤繁多且复杂，易出现表面破损、杂质残留；同时，石墨烯微结构和金属微结构的图案化均需用反应离子刻蚀成形，此过程易损伤已沉积材料或基体材料。

3、因此，亟待开发一种简单高效、引入杂质少，能够一步成形出所需形状的石墨烯-金属异质微结构的方法。

技术实现思路

1、要解决的技术问题

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种皮秒激光诱导一步成形石墨烯-金属异质微结构方法及装置，克服石墨烯-金属异质微结构制备工艺步骤复杂和不能直接成形出所需微结构的问题。

3、该方法首先利用均匀微滴按需喷射技术打印聚酰胺酸(paa)油墨，通过加热基板加热使油墨中的水份蒸发和paa热酰亚胺化，从而得到厚度为纳米级别的聚酰亚胺(pi)薄膜；其次，使用皮秒激光扫描pi薄膜，快速的能量沉积引发碳化、石墨化，通过程序控制成形出所需石墨烯微结构；最后，利用皮秒激光扫描承载金属薄膜的载玻片，金属薄膜受热熔融，受气压推动后滴落至受体基板，程序控制成形出所需金属微结构，实现石墨烯-金属异质微结构的制备。

4、技术方案

5、一种皮秒激光诱导一步成形石墨烯-金属异质微结构方法，其特征在于将均匀微滴喷射技术、激光诱导石墨烯lig和激光诱导向前转移方法lift相结合，步骤如下：

6、步骤1：利用均匀微滴喷射技术打印聚酰胺酸paa)油墨在受体基板上，加热受体基板使油墨中的水份蒸发和paa热酰亚胺化，从而在得到受体基板上得到厚度为纳米级别的聚酰亚胺pi薄膜；

7、步骤2：采用激光诱导石墨烯lig的方法，使皮秒激光按照所设计的石墨烯微结构扫描pi薄膜，快速的能量沉积引发碳化、石墨化，在聚酰亚胺pi薄膜上得到所设计的石墨烯微结构；

8、步骤3：承载金属薄膜的载玻片置于具有pi薄膜受体基板上方30～40μm，采用激光诱导向前转移方法lift，使皮秒激光照射承载金属薄膜的载玻片，金属薄膜受热熔融，受气压推动后滴落至受体基板的聚酰亚胺pi薄膜，通过受体基板的运动成形出所设计的金属微结构，实现石墨烯-金属异质微结构的制备。

9、所述聚酰胺酸paa油墨的溶液密度ρ，表面张力γ，粘度η及压电微喷头5的喷嘴直径d应当满足：

10、所述利用均匀微滴按需喷射技术时，压电微喷头的喷嘴与基板距离为20～100μm。

11、所述步骤1的加热基板温度为160～180℃，恒温3～5min，得到pi薄膜。

12、所述步骤2和步骤3的皮秒激光的焦点处光斑直径为4.1μm。

13、所述步骤2的皮秒激光器的总能的为20～25％。

14、所述步骤3皮秒激光器的激光能量密度i0和脉冲宽度τp满足双温模型，模型以和作为边界条件求解得到不同激光对不同金属作用的临界能量阈值为：i0(t)＝i0exp[-π(t/τp-1)2]，其中：ke为电子导热率，te是电子温度，d为金属薄膜的厚度，r为金属薄膜的反射系数，i0为激光能量密度的最大值，τp为激光的脉冲宽度，i0(t)为激光能量密度的时间演化，单位为w/cm2。

15、一种实现所述皮秒激光诱导一步成形石墨烯-金属异质微结构方法的装置，其特征在于包括皮秒激光器1、光路调制系统3、压电微喷头5、导液管6、储液器7、温度控制器8、二号三维运动平台9、加热基板10、一号三维运动平台13、运动平台控制器14、上位机16和脉冲发生器17；一号三维运动平台13和二号三维运动平台9位于同一个工作平台上，工作平台的一侧的上方设有压电微喷头5，压电微喷头5通过导液管6连接储液器7；皮秒激光器1的激光经过光路调制系统3，发出工作激光投射于工作平台的另一侧的上方，激光下方的平台上设有一号三维运动平台13，以及二号三维运动平台9移动后的工位；上位机16控制脉冲发生器17，脉冲信号通过各自通道连接压电微喷头5和皮秒激光器1；上位机16通过运动平台控制器14分别控制两个三维运动平台；所述二号三维运动平台9上设有加热基板10，工作时受体基板11位于加热基板10上；所述二号三维运动平台9在实施激光诱导向前转移方法时，移动至激光下方，并按照运动平台控制器14的控制，按照所设计的结构进行运动；所述一号三维运动平台13上设有金属薄膜，按照运动平台控制器14的控制金属薄膜的熔点位置。

16、在脉冲发生器17和压电微喷头5之间设有信号放大器4。

17、在工作平台的一侧设有高速ccd相机15。

18、有益效果

19、本发明提出的一种皮秒激光诱导一步成形石墨烯-金属异质微结构方法及装置，利用均匀微滴按需喷射技术打印聚酰胺酸(paa)油墨，通过加热基板加热使油墨中的水份蒸发和paa热酰亚胺化，从而得到厚度为纳米级别的聚酰亚胺(pi)薄膜；其次，使用皮秒激光扫描pi薄膜，快速的能量沉积引发碳化、石墨化，通过程序控制成形出所需石墨烯微结构；最后，利用皮秒激光扫描承载金属薄膜的载玻片，金属薄膜受热熔融，受气压推动后滴落至受体基板，程序控制成形出所需金属微结构，实现石墨烯-金属异质微结构的制备。

20、发明的有益效果是：皮秒激光诱导石墨烯微结转向金属微结构制备的过程中，受体基板11水平方向能够保持静止，仅在高度方向移动一次，可实现高分辨率复合图案的精准成形；由于石墨烯微结构是激光扫描均匀微滴按需喷射打印的纳米级pi薄膜直接成形，即pi中的c-o、c＝o、c-n键断裂，释放出co2、h2o、n2和co等小分子气体，并引发碳化、石墨化，同时金属微结构通过激光诱导向前转移成形，从而避免了原有技术中湿转移造成杂质残留，以及石墨烯和金属图案化过程中使用反应离子刻蚀对基板和已沉积石墨烯微结构的损伤；制备石墨烯-金属异质微结构仅需简单高效的激光诱导即可一步成形，使得工艺周期大大缩短，可避免原有技术化学气相沉积、湿转移、金属溅射沉积、刻蚀等多种必要制备和转移步骤所需要的高温真空环境条件，以及丙酮、二氯甲烷等有毒有机溶剂的使用。