西北大学：双光子聚合飞秒激光单体素加工技术，用于制备连续渐变微纳针形结构

来源：微流控

基于飞秒激光的直写技术具有高精度、无掩模、非接触及立体加工等优点，是当前微纳加工领域的关键技术之一。一方面，飞秒激光由于其超高的光子密度，容易诱发高分子聚合物材料的双光子吸收效应，从而突破光学衍射极限实现一百纳米量级的加工精度；另一方面，飞秒激光由于其极窄的脉宽与极高的峰值功率，在飞秒切削加工金属、陶瓷等材料时能够直接将材料转变为等离子体，加工热影响区域极小。近年来，飞秒激光直写技术已在微纳光学、光信息存储、仿生材料、生物医学诊疗等领域都得到了广泛的应用，为相关领域的纳米结构加工需求提供了有效的解决方案。

形貌连续渐变的微纳针形结构能够产生非对称拉普拉斯压力、构建皮牛量级力学环境、调节离子迁徙速率等，在微液滴操控、生物传感、离子整流等方面都有着广泛的应用前景。

近年来，非接触、无掩模的激光直写加工技术发展迅速，为加工微纳针形结构提供了许多新思路。相比径迹刻蚀法、微球辅助刻蚀、微纳米压印等微纳针形结构的传统加工方法，基于双光子聚合（Two-Photon Polymerization，TPP）的飞秒激光直写技术，能够灵活地调节结构的外形、变化梯度等形貌参数，且加工周期短，成本低。

然而，目前的TPP激光直写技术主要通过激光焦点的逐点、逐层扫描来构建结构，针形结构底面直径或高度通常为数微米至百微米级别，尖端加工精度普遍为百纳米量级，不利于构建具有纳米量级连续渐变的针形结构；另一方面，基于激光烧蚀和激光辅助加工的微纳针形结构底面直径以及结构高度通常为数微米，尖端直径可以达到100nm以下，但是针形结构的形貌和分布具有很大的随机性。

针对以上问题，西北大学白晋涛教授和王凯歌研究员课题组近期于《光子学报》期刊发表论文，提出一种基于TPP飞秒激光直写系统中的单个体素结合一维倾角控制体素空间位置的加工方法，能够简单高效地加工出具有纳米量级渐变精度的微纳针形结构。

该论文首先简要介绍了TPP飞秒激光直写系统中的基本单元“体素”以及决定体素尺寸的参数。在此基础上简述了常规的TPP层扫描加工微纳针形结构中的问题和不足（如图1所示）。随后，该研究提出以体素为基本单元，同时在加工中引入一维倾角控制体素在样品中的轴向空间位置，最终实现形貌连续渐变的微纳针形结构加工，其原理如图2所示。

图1 飞秒激光双光子加工体素与层扫描加工微纳针形结构形貌

图2 单体素加工原理及结构分析

图3为该研究的实验装置与选用的光刻胶材料。在加工中，首先标定了在不同的激光功率下体素的尺寸大小。随后，设定实验中扫描速度、光刻胶材料的配比不变，选取入瞳处激光功率作为变量，通过不同的功率参数实现不同尺寸微纳针形结构加工，其加工结果如图4所示。微纳针形结构的理论预测的长度和实验所得的实际长度基本一致。

图3 实验装置及样品成分

图4 微纳针形结构加工实验结果及分析

为进一步获取微纳针形结构的尖端部分的形貌，选取3mW、7mW的尖端结构利用原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）分别进行了表征。如图5所示，AFM结果显示针形结构顶端最小高度达到5nm，横向最小线宽为195nm，且微纳针形结构整体连续渐变。

图5 针尖结构AFM影像及其形貌分析

最后，为了分析样品的倾斜角度对微纳针形结构的长度和形貌产生的影响，选取了不同的倾斜角度加工出针形结构，并分析其变化规律，如图6所示，结构的长度随倾角的减小而增加，微纳针形结构形貌变化速率与倾斜角度成正相关，不同倾角下所得结构的实际长度和理论长度的对比图，实验与理论预期高度一致。

图6 微纳针形结构加工实验结果及分析

综上，该研究基于TPP飞秒加工系统的单个体素，通过引入一维角度控制体素的空间位置，成功地在光刻胶中实现了一系列形貌连续渐变的微纳针形结构的加工。在该研究中，加工获得的微纳针形结构顶端最小高度达到5nm，横向最小线宽为195nm，在微纳流体力学、微流控、生物大分子检测、仿生核孔等研究方面具有潜在的应用价值。

论文信息：
DOI：10.3788/gzxb20225110.1014001