掩膜作用下金属表面飞秒激光烧蚀及电化学生长研究

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浸润特性是固体材料表面的一种非常重要的属性,大量理论和实验研究表明,它主要取决于材料表面的微观几何结构以及材料表面的化学成分和性能。近些年来,尤其是超疏水性表面在基础研究、实际应用和仿生技术领域的重要作用,已经吸引了国内外研究机构的广泛关注。尽管有大量的研究人员已经制备出各种各样具备超疏水性的微纳复合结构,但大都表现出不规则、重复性差等缺陷,而且一部分采用的方法十分复杂、效率低。因此介于上述缺点的限制,寻求高效实用的规则微纳复合型功能性表面结构的制备技术将具有重大意义。飞秒激光作为脉宽最短的脉冲激光,具备精度高、裂纹少、热影响区小等特点,使制备规则有序的微/纳米结构表面成为可能。电化学作为联系电子和原子的纽带,在微/纳米制备方面具有天然的优势。本论文则通过结合飞秒激光和电化学在微/纳米制造中的优势,旨在制备具有结构一致的、稳定的超疏水性的微纳复合结构。本论文主要的研究工作和结果概括如下:(1)对飞秒激光烧蚀金属铜的加工参数(脉冲个数、能量密度、偏振方向)进行了实验研究,旨在发现飞秒激光烧蚀金属铜的规律并实现对形貌尺寸的精确控制。研究发现改变脉冲个数与能量密度相类似,都可实现烧蚀区由纳米级结构到微纳米复合的蜂窝状结构的转变,而在进行电沉积实验时,这种蜂窝状结构有利于增强基底与微乳突的咬合作用,从而增强结构稳定性。椭圆状的烧蚀区主轴方向与激光偏振方向平行;并统计了烧蚀区直径或深度与各加工参数的对应关系图。最后统计了金属铜在掩膜作用下飞秒激光烧蚀弹坑的尺寸,排除了镀膜对结构产生一定影响。实验中主要采用的表征手段有SEM和AFM。(2)设计了通过两步氧化还原反应在铜金属表面得到由微米级乳突状铜和纳米级枝晶银组成的规则的微/纳米复合阵列结构。详细介绍了各实验步骤:镀膜-激光烧蚀镀膜-电化学生长微米结构-还原金属银生长纳米结构-硅烷化修饰。研究了飞秒激光加工和电化学生长参数对微米结构形貌的影响以及纳米枝状银结构形貌随置换反应时间的演变过程,实现了不同表面形貌的制备。最后对比研究了实验中几个关键步骤对接触角大小的影响。
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