关键词： 纳米压印   多阶衍射透镜   紫外压印   微纳加工   消色差  

摘要： 随着现代科学技术的发展,光谱探测器在传感、通讯、环境监测、安保以及生化检测等方面得到了广泛应用,目前市场上的设备普遍工作波段位于250nm-1750nm,如光电吊舱等,其面临的问题是波段调节困难且难于实现紫外-近红外的宽光谱相应。宽光谱探测的实现方法主要可以分为两个方面,一是通过微纳光学器件中的团簇嵌套结构实现超表面对波段的调控,二是通过多阶衍射透镜实现宽光谱范围内高质量消色差成像。典型的微纳加工技术主要有光刻、电子束直写、聚焦离子束刻蚀等,虽然精度高,但是效率低。目前,已有研究对多阶衍射透镜制备的最大口径不到15mm,团簇嵌套结构仅停留在仿真阶段。本文将制备口径50mm的多阶衍射透镜制备和口径1mm的团簇嵌套结构。 首先,本文介绍了现有的微纳制造技术发展现状,以及国内外的多阶衍射透镜结构以及团簇嵌套结构的制作情况。本文对主流的纳米压印技术进行了对比,并选择了以热压印与紫外压印相结合的方式作为本次项目的制备方法。 其次,本文通过建立多阶衍射透镜结构和团簇嵌套结构的仿真模型,分析了两者的光学特性以及误差对结果的影响。平面多阶衍射透镜在400-1100nm波段范围内具有良好的聚焦性能。团簇嵌套结构具备明显的能量聚集效应。 最终本文分别针对多阶衍射透镜与团簇嵌套微纳结构两种难以加工的复合结构,采用纳米压印技术,设立控制变量试验研究了制备流程中的旋涂工艺,分别研究了旋涂时的低转速、高转速对薄膜厚度的以及薄膜均匀性的影响。研究了匀胶时产生边缘效应的原因,给出了胶体烘干方案,减少了边缘效应对匀胶的影响。分别对多阶衍射透镜和团簇嵌套结构设立正交实验,研究压印压力,接触速度,充型时间、紫外曝光时间等工艺参数对制备结果精度的影响。总结出适合于生产的制备工艺参数,利用扫描电镜检测制备结果。最终成功制备出实际值与设计值误差率小于5%,口径为50mm,深宽比为2:1的多阶衍射透镜结构。并利用电子束直写技术制备出了误差范围小于10%的团簇嵌套结构。本文提出的这种低成本高效率的制备方案,有望实现微纳复合结构的批量化生产,对拓展微纳复合结构的应用领域具有重要意义。

关键词： 微纳加工技术   防伪技术   防伪标签   防伪材料   数字防伪  

摘要： 目的 对国内外微纳加工技术在包装防伪中的应用研究进行梳理,帮助相关行业从业者更清晰、全面地了解当前微纳加工技术包装防伪领域的发展和应用现状,推动微纳加工技术在该领域的推广应用。方法 本文将相关研究大致分为微纳加工技术在新型防伪标签的制备、新型防伪材料制备和数字防伪领域的应用研究等3个方面,并对相关研究概况、关键科学技术实现方法以及核心防伪机理进行梳理,分析微纳加工技术应用于包装防伪中的优缺点和发展趋势,聚焦复合防伪技术的挑战和未来发展方向。结论 国内外研究综述表明,微纳加工技术的快速发展为防伪技术提供了一种全新的技术和方法,微纳加工技术与信息技术等构成的复合防伪技术更是表现出了巨大的商业化应用潜力。但目前微纳加工技术在包装防伪中的应用还处于初级阶段,大部分实验室成果在面临产业化落地时仍受到成本、可靠性等因素的限制。未来在如何满足精度要求的同时,进一步降低设备和材料成本,优化工艺流程,还需要进行更深入的探索研究。

关键词： 变功率激光   慢波结构   组合加工   激光仿真   水膜辅助  

摘要： 慢波结构是行波管放大器的核心零件,基体材料为弥散无氧铜、其刚性差、质地软、不易加工,且零件本身具有结构微细复杂、深宽比大、加工精度要求高等特点。微铣削加工是慢波结构制备的常用手段,但加工周期长且刀具易磨损,故常由于多次换刀引入误差。本文提出水膜辅助纳秒激光—微铣削组合加工方法,既可以解决微铣削过程多次换刀引入的加工误差问题,又可以解决单纯激光加工过程产生大量热影响区和重铸层,旨在制备得到满足要求的慢波结构,本文开展以下几点研究。 建立一个兼顾多种力效应、相变及熔池流动的弥散无氧铜激光加工二维仿真模型,研究激光加工参数对弥散无氧铜烧蚀深度和烧蚀形貌演变过程的影响规律,以便合理预测特定参数下产生的热影响区尺寸;并在此基础上构建激光加工弥散无氧铜热应力的三维模型,利用热应力预测热裂纹宽度,将实际加工中的激光烧蚀宽度限制至90μm内。 采用响应曲面法构建激光加工参数与烧蚀响应之间的数学关系,可预测特定蚀除深度所需的激光加工参数,同时,在实验过程中发现小功率激光有助于修饰形貌提升加工质量,大功率激光有助于提升材料去除率,设计变功率激光粗加工慢波结构提升深度一致性且减少侧壁凸起。此外,检测加工后工件表面喷溅物的元素含量,发现Al2O3颗粒影响喷溅物排出,并且激光功率越大,喷溅物的尺寸越大,甚至团聚成结。为减少喷溅物及重铸层,搭建水膜辅助硬件平台,采用水膜辅助激光加工慢波结构,凹槽截面形状从单功率激光加工的V形、变功率激光加工的梯形改进至水膜辅助激光加工的U形,基本去除重熔物和喷溅物,去除率可达75%以上。 首先利用正交CCD辅助,优化对刀工艺实现前后两种加工轨迹的重合。在此基础上,采用微铣削加工与组合加工两种方式加工4mm直槽、15周期慢波结构,对比铣削力大小。最后,采用单把刀具加工全周期慢波结构,槽底粗糙度<30nm,尺寸精度<±1μm,侧壁垂直度>89.1°均满足加工要求。相较于课题组前期纯微铣削加工所需刀具7把,激光辅助微铣削加工所需刀具3把,本文水膜辅助激光-微铣削加工耗费刀具仅为1把。

关键词： 聚焦离子束   电子显微学   半导体器件   材料失效分析  

摘要： 原位聚焦离子束技术(in situ focused ion beams,in situ FIB)采用电离的高能离子轰击材料并与材料表面发生相互作用,从而实现对材料的成像、刻蚀与沉积功能。原位FIB具有纳米级的加工精度,是微纳器件加工制造与失效分析的重要研究方式。本文以原位FIB技术为核心,结合原位透射电子显微技术及X射线能谱技术,研究了合金电极材料与氮化镓材料的可靠性问题,阐明了合金电极的多种失效机理,构建了合金材料的微观形貌演化及其电学特性的联系。此外,优化了多种原位聚焦离子束技术的加工、表征方法,拓展了原位聚焦离子束技术的应用范围,并结合扫描透射电子显微镜成功表征了碳掺杂氮化镓薄膜的位错核原子结构,加深了对氮化镓位错缺陷的理解,为后续合金电极与氮化镓器件可靠性的优化方向提供直观实验基础与理论指导。研究内容如下:(1)基于原位FIB技术合金电极材料的可靠性研究。采用原位聚焦离子束技术结合X射线色散能谱仪,研究了植入式合金电极的微观形貌变化与关键区域的元素迁移状况。揭示了合金电极的非生物性和生物性两种失效机制,即工艺过度镀金和长期植入过程中的有机物包裹。构建了电极微观形貌演化及其电学特性的联系,明确了不同失效机制对神经信号的影响。为设计和制造高可靠性神经电极奠定了基础。(2)基于原位FIB技术的TEM平面样品制备与优化。基于原位FIB技术探索并总结了两种平面TEM样品制备方法,其中一种可用于制备大面积平面TEM样品,但操作步骤复杂,且样品的最终厚度约为200 nm,仅适用于制备需要观测大面积形貌的平面样品。而优化后的平面样品制备方法,可以制备厚度小于80 nm的平面样品,可实现原子尺度的高精细结构表征。该工作拓展了原位聚焦离子束技术的应用范围。(3)基于原位FIB技术的碳掺杂氮化镓(Ga N)位错原子结构表征。采用扫描透射电子显微镜对基于优化原位FIB技术制备的Ga N平面样品进行表征。重点研究了位错缺陷的原子结构,发现局部位置原子结构发生畸变,导致原子间距变大,形成了类4-6圆环结构。加深了对Ga N位错缺陷结构的理解,为后续研究界面抑制缺陷形成与高质量Ga N薄膜的可控生长,制备高可靠性氮化镓基器件提供了直观的实验证据。本文基于合金电极以及氮化镓位错缺陷的研究有助于后续器件可靠性的优化提升。同时,本文基于原位聚焦离子束技术总结并优化的平面样品制备技术同样适用于其他体系材料与先进半导体器件的平面TEM样品制备。

关键词： PEEK   微织构   紫外激光加工   润湿性   摩擦磨损  

摘要： 聚醚醚酮(Polyetheretherketone,PEEK)是一种机械性能优异、生物相容性出色的工程热塑性聚合物,被广泛应用于工业及医疗领域。当PEEK作为医用骨植入物材料时,需要增加其润湿性、耐摩擦磨损等性能,以有效提升PEEK骨关节部件使用性能。微织构激光加工技术通过采用激光在材料表面加工微小结构来提升表面能、捕捉摩擦碎屑、增加细胞接触面积等,从而改善材料表面功能性,具有精度高、速度快等优点。PEEK材料对355nm紫外激光吸收系数较高,但是其表面微织构的紫外纳秒激光加工研究较少。由于微织构的形貌特征与其表面功能性密切相关,因此需要研究激光与PEEK相互作用关系,并据此对激光参数进行优化,以获得高精度PEEK微织构。此外,PEEK骨关节部件通常包含曲面,因此需要研究曲面PEEK微织构的激光加工技术。因此,本文开展了平面及曲面PEEK微织构的紫外纳秒激光加工技术及其表面功能性研究,具体研究内容如下: 首先,研究PEEK表面微织构的紫外纳秒激光加工基本原理与方法。基于COMSOL建立具有移动热源边界的紫外纳秒多脉冲激光烧蚀的有限元仿真模型,据此研究紫外纳秒激光与PEEK的相互作用关系,通过对比实验结果与仿真结果验证模型的准确性。选用紫外纳秒激光器以及多轴运动平台搭建平面及曲面PEEK微织构激光加工装置。此外,开展平面与曲面PEEK的车削实验研究,通过控制车削参数获得表面粗糙度小于1μm的平面及曲面PEEK工件,实现后续激光加工样件的制备。 其次,开展平面PEEK微织构的紫外纳秒激光加工特性及其表面功能性研究。采用有限元仿真研究单脉冲能量与光斑重叠率对PEEK激光烧蚀形貌的影响规律,并在此基础上进行平均功率、扫描速度和扫描频率等激光加工参数优选。利用优选激光加工参数制备高精度PEEK微织构,并研究其表面润湿性与化学成分。对润湿性较好的高精度PEEK微织构表面进行摩擦磨损实验,通过对比摩擦系数与磨损形貌研究PEEK表面微织构对其摩擦磨损性能的影响特性。 最后,开展曲面PEEK微织构的多轴联动紫外纳秒激光加工特性及其表面润湿性研究。进行球面微织构两轴联动激光加工过程仿真,并通过后处理获得加工轨迹及NC代码。通过紫外纳秒激光器与多轴联动平台耦合实现PEEK球面微织构的激光加工。研究激光加工路径约束、液氮辅助冷却、激光加工工艺参数优化等工艺方法对球面微织构激光加工效果的提升,据此获得高精度PEEK球面微织构,并对其表面润湿性进行理论分析与实验表征。

关键词： 微纳加工与表征技术   高性能   高集成度   有机光电器件  

摘要： 微纳加工与表征技术是实现高性能集成光电器件的必要手段。基于有机半导体的光电器件具有可柔性化、低成本以及可溶液法制备的优势,可广泛应用于光探测、信息显示、健康监测、智能穿戴设备等领域。文章通过介绍可用于制备高性能集成光电器件的主流微纳加工与表征手段和技术原理,综述了其在高性能集成有机光电器件研究中的重要进展,结合研究实例对比分析了不同微纳加工与表征手段在实际研究中的优劣点。

关键词： 激光微纳加工   激光注射   软物质   液晶  

摘要： 针对软物质的激光微纳加工技术,通过激光辅助机械注射和可控自组装来实现装配软物质微滴球体结构的目的,相较于传统的液滴微流控技术具有显著的优势.本文研究了激光能量、光束尺寸、曝光位置等激光参数对激光辅助机械注射的影响,得到了最佳的激光参数条件范围,发现过高的激光强度(如0.365 mW)可诱发液晶材料的对流而不注入子液滴.研究了表面活性剂浓度、液晶种类和相态等材料因素对注射机械力,以及注入子液滴尺寸的影响.证实表面活性剂浓度影响的实质是不同的离子浓度会改变相同升温条件下所形成的界面张力梯度值(注射机械力提高3.1倍);发现液晶的相态对激光注射没有影响,而液晶的种类会改变注入难度(弹性常数K值越高越难注入).此外,引入液晶微滴的拓扑相错线作为子液滴的自组装模板,分析了注入子液滴在拓扑相错线上的自组装动力学过程.软物质激光微纳加工技术可应用于光电子、生物医药等领域的三维球体结构的极端加工与应用开发.

关键词： 芯片制造   光学微纳加工   多学科交叉   基础研究  

摘要： 基于第282期“双清论坛”,本文分析了我国未来芯片及其制造技术发展面临的国际形势、技术挑战和发展趋势,回顾了光学微纳加工技术近年来与光学工程、物理学、电子科学与技术、仪器科学与技术、集成电路科学与工程等多个学科领域交叉取得的主要进展和成就,凝练了未来芯片制造中光学微纳加工技术亟需解决的基础科学问题,展望了光学微纳加工技术科学前沿,探讨了未来5~10年我国在该领域亟待关注的研究方向。

关键词： 铜表面   纳秒激光加工   抗腐蚀能力   三维铜箔集流体   锂离子电池  

摘要： 固体表面的浸润性是探究表面性质一项重要指标,主要包括有超疏水性、超疏油性、超亲水性和超亲油性。铜作为一种过渡金属,因具有高延展性以及良好的机械性能与电学性能,在各个领域受到了广泛的应用。同时,激光表面处理技术具有操作简便、加工效率高、加工成本低以及绿色无污染等特点,使得其在诸多表面处理技术中脱颖而出。因此,本文以铜金属为研究对象,致力于通过纳秒激光表面处理技术加工铜基超浸润性表面,并深入探究其在抗腐蚀及能源领域的应用,进而为铜基超浸润性表面的工程应用奠定理论基础和技术支撑。具体研究内容及研究成果如下:采用纳秒激光表面处理技术,在纯铜表面上加工网格状阵列结构。利用扫描电子显微镜和接触角测量仪,研究了激光表面处理过程对铜表面的二维形貌、三维轮廓和不同溶液浸润性的影响规律。实验证明:激光烧蚀过程使得铜表面粗糙度发生剧烈变化,致使其表面对水与酯类电解液的浸润性发生改变。对于纳秒激光加工的铜表面,利用1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷混合溶液进行表面改性处理,实现了超疏水性。利用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪,分别检测了超疏水铜表面经过碱溶液刻蚀后表面的形貌变化和化学成分变化,并从分子级别揭示了超疏水材料的抗腐蚀能力的本质。最后通过电化学测试表面的动电位极化曲线和电化学阻抗谱,进一步证明了经过激光加工后表面优异的抗碱能力以及抗腐蚀能力的机理。利用激光加工的铜作为负极集流体,开展锂离子电池的组装与电化学性能研究。实验证明了经过激光烧蚀后,铜表面产生了大量的氧化铜和氧化亚铜混合物质,使得铜箔表面形成大量的活性位点,从而可以降低锂的成核电位,有利于锂的均匀成核和沉积。电学性能测试表明,经激光表面处理的铜表面作为集流体组装成的半电池、对称电池和全电池,其在不同的电流密度下对锂电池的循环寿命均产生了积极的影响,尤其是在0.5 m A cm的电流密度下其循环寿命相比于纯铜表面提升了两倍,进一步证明了激光表面处理技术为三维铜箔集流体的制备提供了一种高效、绿色的方法。