本文以熔石英為例,主要研究飛秒激光在透明介電材料表面制備微納米周期結(jié)構(gòu)的物理過(guò)程。調(diào)節(jié)激光參數(shù),飛秒激光在熔石英表面誘導(dǎo)出各種微納米周期結(jié)構(gòu)。首先,通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了激光的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)對(duì)熔石英表面周期性結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。然后通過(guò)有限元分析的方法對(duì)飛秒激光燒蝕熔石英的物理過(guò)程做分析計(jì)算。最后利用仿真軟件模擬了單脈沖輻照下熔石英的載流子-晶格溫度演化、溫度分布以及入射光和表面等離子體激元（surface plasmon polaritons,SPPs）干涉對(duì)波紋周期影響,并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做比較分析。本文的研究工作和成果如下:（1）研究了熔石英表面周期結(jié)構(gòu)（laser-induced periodic surface structures,LIPSS）和實(shí)驗(yàn)環(huán)境、激光脈寬、激光能量密度、脈沖數(shù)量、掃描速度的關(guān)系。并設(shè)置K9玻璃作對(duì)照組探究介質(zhì)材料禁帶寬度的影響。結(jié)果顯示:在固定脈沖數(shù)量下,LIPSS的周期隨能量密度的增加而增加,熔石英從高頻周期結(jié)構(gòu)（high spatial frequency LIPSS,HSFL）過(guò)渡到低頻周期結(jié)構(gòu)（low spatial frequency LIPSS,LSFL）... 

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

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荷葉的功能性結(jié)構(gòu)

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文2Y.A.Liang[2]等人用電子顯微鏡掃描了壁虎腳掌的微結(jié)構(gòu)并進(jìn)行觀察，如1-2所示，壁虎的腳掌皮膚由眾多剛毛組成，而每根剛毛的尖端又由更細(xì)微的絨毛組成，并在末端呈U形。這種特殊的微結(jié)構(gòu)面對(duì)空氣中的水分子膜時(shí)產(chǎn)生毛細(xì)作用，解釋了壁虎的吸附機(jī)制。（a）（b）圖1-1荷葉的功能性結(jié)構(gòu)。（a）疏水性表面；（b）表面的微納結(jié)構(gòu)[1]（a）（b）圖1-2壁虎的功能性結(jié)構(gòu)。（a）強(qiáng)吸附性的腳掌；（b）腳掌的微納結(jié)構(gòu)[2]這些研究表明，生物擁有的各種特異功能，都源自于其表面微納米結(jié)構(gòu)在形狀、尺寸和排布方式上的不同�？蒲腥藛T根據(jù)這些特殊的微納結(jié)構(gòu)，制備出了各種神奇的仿生學(xué)材料。如圖1-3所示，T.Kustandi，V.Samper[3]等人采用電感耦合等離子體刻蝕技術(shù)制備出了聚苯乙烯壁虎絨毛；W.L.Min，P.Jiang[4]等人利用光刻模板制備出自清潔防反光的蛾眼仿生結(jié)構(gòu)。此外，集成電路、光波導(dǎo)和新能源等領(lǐng)域也高度依賴(lài)于微納米結(jié)構(gòu)的制備。L.S.Fan，W.Xiong等人[5]利用飛秒激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積（LCVD）工藝在SiO2/Si基底上制備出石墨烯微納光柵結(jié)構(gòu)，為高效制造石墨烯電子器件提供了方法。我國(guó)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)[6]采用飛秒激光微加工技術(shù)首次在摻銪硅酸釔晶體中刻蝕出光波導(dǎo)，研制出可集成的固態(tài)量子存儲(chǔ)器。

第一章緒論3（a）（b）圖1-3仿生學(xué)微納結(jié)構(gòu)。（a）離子體刻蝕技術(shù)制備的聚苯乙烯絨毛[3]；（b）用硅基模板制備的蛾眼結(jié)構(gòu)[4]有關(guān)微納結(jié)構(gòu)的研究成果揭示了微觀尺度下材料改性的物理機(jī)制和方法，如今微納結(jié)構(gòu)制備作為現(xiàn)代制造業(yè)的前沿科技，其重要性已不言而喻。微納加工技術(shù)已在材料、信息、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域開(kāi)辟了廣闊的應(yīng)用前景，并將在未來(lái)成為高端制造業(yè)發(fā)展指數(shù)的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。1.2.2微納結(jié)構(gòu)加工技術(shù)研究各種生物組織表面的微結(jié)構(gòu)，繼而通過(guò)人造加工技術(shù)復(fù)刻其功能，一直是科學(xué)界追求的目標(biāo)和焦點(diǎn)課題。經(jīng)過(guò)數(shù)十年來(lái)理論的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，人們總結(jié)出一些實(shí)用有效的微納結(jié)構(gòu)加工方法[7]：光學(xué)刻蝕法、等離子體刻蝕法、氣相沉積法、模板法、溶膠-凝膠法等。以下是簡(jiǎn)單介紹：（1）光學(xué)刻蝕法：利用電子束或激光光束燒蝕材料，加工尺寸在幾十納米到幾十微米之間，該方法的優(yōu)勢(shì)在于精度高，其非接觸式加工使得到的微納結(jié)構(gòu)形狀更易控制。（2）等離子體刻蝕法：等離子刻蝕技術(shù)加工精度高，在集成電路等精密器件的制備工藝中起關(guān)鍵作用。該技術(shù)通過(guò)等離子體刻蝕靶材表面，該工藝的加工方式靈活多變，但對(duì)設(shè)備和供能要求很高，所以其發(fā)展前景有限。（3）氣相沉積法：該方法將靶材置于充滿各類(lèi)物料的腔室內(nèi)，基于氣相發(fā)生的物理化學(xué)過(guò)程，在靶材表層誘導(dǎo)出微納米級(jí)的薄膜結(jié)構(gòu)，常用于功能性微納涂層的制備。（4）模板法：將調(diào)配的溶液注入微納米多孔模板內(nèi)，然后經(jīng)過(guò)壓縮和烘干處理制備出批量的陣列結(jié)構(gòu)；另外，也常用帶有特定結(jié)構(gòu)（如光柵）的模具，利用空間結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的原理經(jīng)過(guò)兩次倒模制備出該特定結(jié)構(gòu)，一般用于特種結(jié)構(gòu)的印刷。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]飛秒激光雙光子聚合加工微納結(jié)構(gòu)[J]. 孫樹(shù)峰,王萍萍.  紅外與激光工程. 2018(12)
[2]電子動(dòng)態(tài)調(diào)控的飛秒激光表面微納結(jié)構(gòu)可控制造新方法及其應(yīng)用[J]. 史雪松,姜瀾,李欣.  機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2018(04)
[3]飛秒激光燒蝕硅材料表面形成周期波紋形貌研究[J]. 李志明,王璽,聶勁松.  物理學(xué)報(bào). 2017(10)
[4]COMSOL在激光輻照光場(chǎng)數(shù)值模擬中的應(yīng)用[J]. 安良友志.  通訊世界. 2017(02)
[5]有限元網(wǎng)格剖分與網(wǎng)格質(zhì)量判定指標(biāo)[J]. 李海峰,吳冀川,劉建波,梁宇兵.  中國(guó)機(jī)械工程. 2012(03)
[6]飛秒激光雙光子制造生物微器件微支架[J]. 狄建科,周明,楊海峰,孔俊杰,戴娟.  中國(guó)激光. 2009(01)

博士論文
[1]CO2激光輻照熔石英材料的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模擬[D]. 于景俠.電子科技大學(xué) 2015



本文編號(hào)：3428532