德国微纳米无掩膜光刻工艺（微纳米仿生结构的激光加工）

德国微纳米无掩膜光刻工艺（微纳米仿生结构的激光加工）许多生物因其表面独特的微/纳米结构而表现出特殊的功能。通过研究这些表面的物理和化学性质，科学家们分析并获得了仿生表面表现出这些性质的原因，这为仿生表面的人工制备提供了基础和方法。2微/纳米仿生表面结构的特征及其机理科学家发现，许多生物体的表面具有特殊的微/纳米结构，具有特殊的性质。然而，这些生物体表面的结构往往是微/纳米尺度和复杂的。采用常规方法时，需要对工具进行修整，使其与结构一致。许多创新方法被开发用于微/纳米制造，如反应离子蚀刻、光刻、化学气相沉积、电化学处理、模板、自组装等。但这些方法程序复杂，步骤多，浪费时间。制造过程中产生的废物也会影响环境。与其他方法不同，超快激光具有许多优点：（1）单色性好，相干性高，方向性强；（2）高分辨率和精度；（3）无限材料。除了上述优点外，它还具有良好的可操作性和灵活性，对于几乎所有结构来说，一步就足够了。因此，它已成为微纳结构领域的研究热点。

长三角G60激光联盟导读

据悉，受自然界启发，许多研究人员注意到，起源于生物体表面的微纳结构具有超疏水性、减阻性、结构颜色等独特性质，具有很大的学术价值。

然而，模拟仿生表面的传统处理方法需要多步骤，浪费时间，不环保，也不经济。由于超快激光技术的发展，脉冲宽度可以达到飞秒级，可以一步精确地实现微纳加工。在这里，我们介绍并演示了一些典型性质的原理。讨论了激光与材料相互作用引起的典型结构。此外，还强调了仿生表面的激光加工方法，以实现专门的性能。

1介绍

科学家发现，许多生物体的表面具有特殊的微/纳米结构，具有特殊的性质。然而，这些生物体表面的结构往往是微/纳米尺度和复杂的。采用常规方法时，需要对工具进行修整，使其与结构一致。

许多创新方法被开发用于微/纳米制造，如反应离子蚀刻、光刻、化学气相沉积、电化学处理、模板、自组装等。但这些方法程序复杂，步骤多，浪费时间。制造过程中产生的废物也会影响环境。

与其他方法不同，超快激光具有许多优点：（1）单色性好，相干性高，方向性强；（2）高分辨率和精度；（3）无限材料。除了上述优点外，它还具有良好的可操作性和灵活性，对于几乎所有结构来说，一步就足够了。因此，它已成为微纳结构领域的研究热点。

2微/纳米仿生表面结构的特征及其机理

许多生物因其表面独特的微/纳米结构而表现出特殊的功能。通过研究这些表面的物理和化学性质，科学家们分析并获得了仿生表面表现出这些性质的原因，这为仿生表面的人工制备提供了基础和方法。

2.1超疏水表面

超疏水表面是自然界中最常见的功能表面，也是科学家研究最多的表面，无论是动物（水鰕）还是植物（莲花、猪笼草和玫瑰花瓣）。超疏水表面有微乳头，如图1a、b所示，使表面与液滴的接触角大于150°。空气被困在微乳头和微乳头共同作用，提升液滴，使表面超疏水。

图1（a）花瓣表面的微乳头。（b）微乳头上的纳米折叠[17]。（c）超疏水表面上的液滴。（d）液滴粘附在超疏水表面。

液滴可以附着在某些超疏水表面，如图1c所示的玫瑰花瓣，称为“花瓣效应”。相比之下，当液滴在其他超疏水表面时，表面只需要倾斜一个很小的角度(小于5°)就可以使液滴脱落。这种超疏水表面具有自清洁性能，可用于制备自清洁表面。自然界中最典型的例子就是荷叶表面的“荷花效应”。“花瓣和荷叶都有相同的微乳头，上面附着着更小的纳米折叠物，但它们的表面对液滴的粘附性不同。”

基于上述现象，Feng等发现荷花表面呈现Cassie状态，花瓣表面呈现Cassie浸渍润湿状态，如图2a所示。进一步观察发现，液滴浸入花瓣上的纳米折痕，从而粘附在花瓣表面。外翻的纳米褶皱与小乳头状突起相反，起着相同的作用。Bharat等研究了纳米折痕的分布对粘附性的影响，发现较大的间距值(两个纳米折痕之间的间距)和较小的峰基高度对微观结构的影响可以在保持超疏水性的同时获得高粘附性。

图2（a）花瓣的肉桂浸透润湿状态和莲花的肉桂状态；（b，c）具有相同节距值和不同纳米结构密度的分层结构的新鲜花瓣上的液滴。

2.2结构减阻

随着地球能源的不断减少和人类需求的增加，如何提高能源利用效率已经成为一个热门话题。减阻是减少物理运动中能量消耗最直接的方法。在70年代，NASA受到鲨鱼皮的启发，发现微小的凹槽可以有效减少壁面摩擦，如图3a所示。这一发现彻底打消了“表面越光滑，阻力越小”的想法。科学家也逐渐发现初生羽毛(图3b)Rynchops beak(图3c)具有类似的凹槽形状结构，可以减少飞行或狩猎时的摩擦。

图3减阻结构。（a）鲨鱼皮，（b）鸟羽毛，（c）龙口鱼喙

2.3结构的颜色

万物呈现出独特的色彩，构成了一个色彩世界。事实上，它们中的一些是由色素着色的，其他的是由它们的结构表面着色的，这些结构表面通常被称为结构色。形态蝶的翅膀是一个典型的例子，由于其光子微或纳米结构，它呈现出金属的、彩虹色的、灿烂的蓝色(图4a)。由于光与二维(2D)或三维(3D)周期微观结构之间的干涉导致了衍射和散射，因此即使没有色素，无色材料也能显示出不同的颜色。

图4 （a）形态蝴蝶的翅膀；（b）结构硅的激光加工；（c–f）不同激光通量下黑硅的形貌。

3激光微纳结构加工技术

激光加工技术以其超精密、低损伤、低成本等优点逐渐应用于微纳结构的加工。脉冲激光的最大特点是可以在单个工艺中实现特定结构，避免了其他复合加工技术带来的工艺之间的相互作用。

随着脉冲持续时间的减小，热影响减小，烧蚀区域边缘更平滑。当脉冲持续时间为皮秒级或小于皮秒级时，称为超快激光。使用超快激光可以有效地避免长脉冲和低强度激光引起的材料熔化和连续蒸发现象，并大大提高加工质量。当脉冲持续时间大于电子-声子耦合弛豫时间（几皮秒）时，称为热烧蚀。当脉冲持续时间小于电子-声子耦合弛豫时间时，称为非平衡烧蚀。在非平衡热烧蚀的情况下，因为脉冲持续时间小于晶格之间的传热时间。在传热发生之前，处理完成。所以被称为“冷加工”。

3.1激光诱导的周期性表面结构

激光诱导的周期性表面结构（LIPSS）首次在20世纪60年代观察到，Birnbaum在75°入射角下使用红宝石脉冲激光烧蚀锗时，在加工区域观察到周期性断裂结构。这些结构是一系列平行凹槽。同时，Emmony等人在使用纳秒脉冲激光时也发现了一种周期为激光波长的断裂结构。随着研究的深入，人们发现脉冲激光也可以在半导体、金属、玻璃和聚合物等材料上产生这种结构。常见的现象称为LIPSS。

对于LIPS的形成机制，有三种理论解释：散射辐射和腔辐射之间的干扰、激光与表面等离子体的干扰和自组织。

3.2直接激光干涉图形

与单脉冲激光相比，直接激光干涉图案化（DLIP）可以产生高质量、多样的亚波长纹理，具有快速、大规模和高效率的优点。两个或多个激光束相干重叠，通过激光干涉产生图案，并诱导不同的能量分布，从而改变入射到表面的激光强度分布。图5显示了典型双光束激光干涉系统的强度分布及其干涉图。通过改变数量和入射角，可以获得不同的周期和图案结构。

图5（a）典型的双光束激光干涉装置；（b）及其干涉图样。

Bieda等人使用纳秒双光束激光烧蚀不锈钢、钛和铝上的线状周期结构，研究了不同材料的激光干涉诱导的温度分布和温度梯度。Lasagni等人利用两束和三束激光干涉制作了线和点型周期图案，这被认为是由热梯度引起的表面张力驱动机制引起的。Voisiatet等人用四束激光干涉在薄膜表面产生孔阵列图案，并研究了不同相移和能量对图案的影响。Rodriguezet等人模拟了不同激光束下的图案，结果与上面讨论的结构非常一致，如图6所示。

图6不同激光束干涉图样的模拟。

激光干涉引起的能量分布不均匀可以大大提高阵列图形的处理效率。Hauschwitzet等使用四束激光在50毫秒内用LSFL制作了1520个光斑，在5毫秒内用HSFL制作了1016个光斑。与单束方法相比，生产率显著提高。通过调整干涉面和焦平面之间的距离，可以实现大吞吐量。如图7所示，干涉面越高，焦平面面积越大，这为大规模高效制造微/纳米结构提供了新方法。

图7干涉和焦平面之间存在明显偏差的设置，以及由该设置制作的不锈钢样品上的椭圆光斑形状。

3.3层次结构

LIPSS是单尺度结构，其性质是有限的。因此，许多生物的表面具有不同尺度的结构，这些结构共同发挥着多方面的作用。通过层次结构拓宽了结构颜色的接收角度。分层结构的产生很复杂，而使用脉冲激光可以大大简化过程。不同脉冲宽度的激光可以实现不同尺度的微结构，从而产生多尺度的层次结构。

结合脉冲激光和其他加工方法，可以实现更复杂和多功能的多尺度分层加工。Pan等人将超快激光烧蚀和化学氧化相结合，产生了一个三尺度层次结构表面，表面覆盖着周期性的锥形阵列，圆锥体上是纳米草和微花，如图8所示。表面具有超疏水性，同时具有优良的防冰性和防冰性能。

图8三尺度微/纳米结构超疏水表面的制造步骤和形态示意图：（a）−（c）构建结构的两个基本步骤，即超快激光烧蚀和化学氧化；（d）−（d2）三尺度微/纳米结构的典型形貌。

4结论与展望

在本文中，我们讨论了如何更好地理解和发展激光与材料之间的相互作用，从而产生上述各种处理方法。但仍存在一些挑战：

多性能结构表面的设计和制造。目前，研究人员只是简单地将生物表面的结构复制到相应的表面以实现特定的性质，因此其性能通常是单一的。对于恶劣环境中的设备，需要克服的问题是多方面的。

效率提高：即使采用DLIP技术，加工效率仍远低于传统的加工方法。它仍然不能满足工业的需要，这限制了其大规模生产和大吞吐量。因此，如何提高超快激光加工的效率，开发相关的技术装备，是目前急需解决的问题。

复杂自由曲面雕刻：在使用超快激光加工时，很难控制激光入射角。因为曲面的曲率在每个点上都不同。揭示了超快激光与不同倾角或曲率表面之间的材料去除关系，表面形成机理有待进一步研究。

来源：Laser processing of micro/nano biomimetic structures Micro Nano Letters doi.org/10.1049/mna2.12055

长三角激光联盟陈长军原创作品！