一种激光增强三维微区电沉积方法及其对应的装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种激光增强三维微区电沉积方法，其将激光辐照集成到基于微管的微区电沉积装置中，获得提升的沉积速率。电解液腔体和微管内灌注电解液，经由平移台调控使得微管尖端逼近试样表面，微管尖端液滴在试样表面形成的弯月面、进而限制了液滴在试样表面的扩散，利于电沉积加工精度的控制；通过微管内电解质接正电位、导电试样表面为负电位，使得电沉积过程发生；激光辐照在液滴与试样的接触面上，激光热效应提高电解液中电子转移效率，加速电化学平衡电位向正向偏移并引起液滴内局部涡流搅拌，从而加速了电沉积过程；根据预设图案，协同调控电控平移台运动，实现微管和试样表面的三维相对移动。

A laser enhanced 3D micro area electrodeposition method and its corresponding device

【技术实现步骤摘要】
一种激光增强三维微区电沉积方法及其对应的装置
本专利技术涉及电沉积的
，具体为一种激光增强三维微区电沉积方法，本专利技术还提供了采用该方法的装置。
技术介绍
电沉积技术是一种工业生产中常见的涂层加工技术，其工作是基于电化学原理，将试样作为阴极浸入特定电解液中，电解液中金属离子在试样表面聚集并发生还原反应，从而在试样表面形成金属涂覆层。电沉积技术已广泛应用于电子信息、防腐、修饰等各领域。然而现有电沉积技术加工精度低，加工分辨率仅有100μm左右。为了提高电沉积技术的加工精度，近年来发展了基于微管的微区电沉积技术，中空的微管中灌入电解液，以代替传统电沉积工艺中的电镀槽，经由精密位移平台调控微管喷嘴与试样间距，可实现微米甚至亚微米尺度金属线的电沉积制备。然而，这一基于微管的微区电沉积技术沉积速率低，通常小于0.1μm/s，限制了其应用；而且，过低的沉积速率也导致系统工作时，对喷嘴和试样间距的控制及相对位移精度要求极高，因而位移控制多采用高精度(如位移精度优于1nm)的压电位移台，增大了系统成本。在传统电沉积技术中，激光辅助沉积已被证实能提升电沉积速率，其提升效率可达三个数量级。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供了一种激光增强三维微区电沉积方法，其将激光辐照集成到基于微管的微区电沉积装置中，获得提升的沉积速率，并进而降低设备对位移平台精度的严苛要求，降低了设备开发成本。一种激光增强三维微区电沉积方法，其特征在于：电解液腔体和微管内灌注电解液，经由平移台调控使得微管尖端逼近试样表面，微管尖端液滴在试样表面形成的弯月面、进而限制了液滴在试样表面的扩散，利于电沉积加工精度的控制；通过微管内电解质接正电位、导电试样表面为负电位，使得电沉积过程发生；激光辐照在液滴与试样的接触面上，激光热效应提高电解液中电子转移效率，加速电化学平衡电位向正向偏移并引起液滴内局部涡流搅拌，从而加速了电沉积过程；根据预设图案，协同调控电控平移台运动，实现微管和试样表面的三维相对移动，进而产生三维微纳尺度图案。其进一步特征在于：根据工作条件选取合适的激光光源，具体包括但不限于为紫外光、可见光或红外光；光源发出光束经反射镜反射和透镜汇聚后应辐照在微管尖端液滴与试样之间的接触面上或是液滴与沉积铜层的接触面上；微管逼近试样表面时，通过光学显微镜辅助判断逼近程度，当微管尖端经由电解液滴连接试样表面后，由于试样表面的亲水性，液滴两侧在表面张力作用下形成弯月面，同时由于液滴表面张力作用也限制了弯月面沿试样表面扩散，保证了电沉积的具有足够高的几何分辨以及足够精细的加工尺寸；所述微管为商品化的各类内径几十微米至几百微米的毛细管，具体包括但不限于为金属、普通玻璃、石英玻璃的材质；通过在已经成型的毛细管的一端再次拉伸制备内径更小的毛细管，从而缩小毛细管的用于滴液的管口的内径，进而利用电沉积加工精度的提高；所述激光辐照的位置相对于毛细管的滴液位置保持相对静止，毛细管移动时、激光辐照的位置随着毛细管同步移动；电沉积过程中，毛细管的滴液位置和试样表面产生相对移动；所述微管的用于放置电解液的管内空间外接有微量注射泵，经由注射泵推进速率的调控，可精确调节毛细管内电解液的流出速率，进而调控电沉积速率和加工精度。一种激光增强三维微区电沉积装置，其特征在于：其包括电控平移台及位移控制器、电流表、电压源、电脑、激光器、微管、电解液腔体、微量注射泵、光学元件、试样放置台，试样放置于所述试样放置台，所述试样的正上方为微管的液滴出口，所述电控平移台及位移控制器控制微管和放置于试样放置台上的试样进行相对位置移动，所述微管的上部入液口连接有电解液腔体，所述电解液腔体上设置有注射泵，所述电脑控制位移控制器驱动电控平移台动作，所述电脑分别连接所述电流表、电压源，所述电流表通过导体连接位于微管内的电解液，所述电流表与所述电压源的正极连接，所述电压源负极或接地端连接试样表面的待加工区域，激光器发出的激光光束通过光学元件产生汇聚光束入射到试样的待加工区域。其进一步特征在于：所述电控平移台具体为一维平移台、二维平移台或三维平移台，所述电控平移台用于调控试样的运动或调控微管的运动，所述电控平移台采用分体式结构时，部分平移台和微管连接，部分平移台和试样连接，工作时微管和试样相对运动；当电控平移台用于控制试样运动时，试样放置台即为电控平移台，其还包括有手动平移台，为了工作时微管和试样间距离调节方便，在电控平移台上再加装三维向的手动平移台，作为辅助控制；当电控平移台用于控制试样运动时，其还包括有偏摆台，其用于工作时试样倾角调节，所述偏摆台位于平移台和试样之间；所述电解液腔体的输出端通过转接头连接微管，所述电解液腔体通过转接头连接所述微量注射泵；所述光学元件具体包括第一平面镜、第二平面镜、透镜，所述激光器发出的激光光束通过第一平面镜反射后照射于第二平面镜、再通过第二平面镜发射会照射于透镜，通过透镜发出的汇聚光束入射到试样的待加工区域；所述电解液腔体具体为各类规格的注射器或各种容纳相关电解液的容器，其中当所述电解液腔体为各类规格的注射其时，其方便与微量注射泵和微管连接；所述微管具体为各种材料制作而成的毛细管，所述毛细管的出液口通过热拉伸形成小径出口，当毛细管为绝缘材料时，在毛细管内插入导电线并与电压源正极连接，或是在毛细管外壁沉积导电涂层并将导电涂层与电压源连接，以保证外加偏压可作用于电解液上，当毛细管为导电材料时，毛细管直接通过细导线连接电压源正极；所述微管具体为用微机电系统工艺技术加工的包含多个微管的硅基平面微管阵列。采用上述技术方案后，电解液腔体和微管内灌注电解液，经由平移台调控使得微管尖端逼近试样表面，微管尖端液滴在试样表面形成的弯月面、进而限制了液滴在试样表面的扩散，利于电沉积加工精度的控制；通过微管内电解质接正电位、导电试样表面为负电位，使得电沉积过程发生；激光辐照在液滴与试样的接触面上，激光热效应提高电解液中电子转移效率，加速电化学平衡电位向正向偏移并引起液滴内局部涡流搅拌，从而加速了电沉积过程；根据预设图案，协同调控电控平移台运动，实现微管和试样表面的三维相对移动，进而产生三维微纳尺度图案；其将激光辐照集成到基于微管的微区电沉积装置中，获得提升的沉积速率，并进而降低设备对位移平台精度的严苛要求，降低了设备开发成本。附图说明图1为本专利技术的装置的具体实施例结构示意图；图2为微管尖端逼近试样表面后，电解液液滴在试样表面形成的弯月面示意图；图3为在导电试样表面沿X方向电沉积纳米铜线的流程示意图，为了图示清楚，图中略去了电连接及电脑控制等内容。(a：毛细管尖端逼近试样表面，电解液液滴在试样表面形成弯月面；b：在激光辐照增强作用下，在液滴和试样的接触面内形成；c-d：随着X向电控平移台运动，铜层沿X向连续生长。)图4为在导电试样表面沿Z方向(垂直试样表面方向)电沉积纳米铜线的流程示意图，为了图示清楚，图中略去了电连接及电脑控制等内容。(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光增强三维微区电沉积方法，其特征在于：电解液腔体和微管内灌注电解液，经由平移台调控使得微管尖端逼近试样表面，微管尖端液滴在试样表面形成的弯月面、进而限制了液滴在试样表面的扩散，利于电沉积加工精度的控制；通过微管内电解质接正电位、导电试样表面为负电位，使得电沉积过程发生；激光辐照在液滴与试样的接触面上，激光热效应提高电解液中电子转移效率，加速电化学平衡电位向正向偏移并引起液滴内局部涡流搅拌，从而加速了电沉积过程；根据预设图案，协同调控电控平移台运动，实现微管和试样表面的三维相对移动，进而产生三维微纳尺度图案。/n

【技术特征摘要】
1.一种激光增强三维微区电沉积方法，其特征在于：电解液腔体和微管内灌注电解液，经由平移台调控使得微管尖端逼近试样表面，微管尖端液滴在试样表面形成的弯月面、进而限制了液滴在试样表面的扩散，利于电沉积加工精度的控制；通过微管内电解质接正电位、导电试样表面为负电位，使得电沉积过程发生；激光辐照在液滴与试样的接触面上，激光热效应提高电解液中电子转移效率，加速电化学平衡电位向正向偏移并引起液滴内局部涡流搅拌，从而加速了电沉积过程；根据预设图案，协同调控电控平移台运动，实现微管和试样表面的三维相对移动，进而产生三维微纳尺度图案。


2.如权利要求1所述的一种激光增强三维微区电沉积方法，其特征在于：根据工作条件选取合适的激光光源，具体包括但不限于为紫外光、可见光或红外光；光源发出光束经反射镜反射和透镜汇聚后应辐照在微管尖端液滴与试样之间的接触面上或是液滴与沉积铜层的接触面上。


3.如权利要求1所述的一种激光增强三维微区电沉积方法，其特征在于：微管逼近试样表面时，通过光学显微镜辅助判断逼近程度，当微管尖端经由电解液滴连接试样表面后，由于试样表面的亲水性，液滴两侧在表面张力作用下形成弯月面，同时由于液滴表面张力作用也限制了弯月面沿试样表面扩散，保证了电沉积的具有足够高的几何分辨以及足够精细的加工尺寸。


4.如权利要求1所述的一种激光增强三维微区电沉积方法，其特征在于：所述微管为商品化的各类内径几十微米至几百微米的毛细管，具体包括但不限于为金属、普通玻璃、石英玻璃的材质；通过在已经成型的毛细管的一端再次拉伸制备内径更小的毛细管，从而缩小毛细管的用于滴液的管口的内径，进而利用电沉积加工精度的提高。


5.如权利要求1所述的一种激光增强三维微区电沉积方法，其特征在于：所述激光辐照的位置相对于毛细管的滴液位置保持相对静止，毛细管移动时、激光辐照的位置随着毛细管同步移动；电沉积过程中，毛细管的滴液位置和试样表面产生相对移动。


6.如权利要求1所述的一种激光增强三维微区电沉积方法，其特征在于：所述微管的用于放置电解液的管内空间外接有微量注射泵，经由注射泵推进速率的调控，可精确调节毛细管内电解液的流出速率，进而调控电沉积速率和加工精度。


7.一种激光增强三维微区电沉积装置，其特征在于：其包括电控平移台及位移控制器、电流表、电压源、电脑、激光器、微管、电解液腔体、微量注射泵、光学元件、试样放置台，试样放置于所述试样放置台，所述试样的正上方为微...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱国栋，龚大卫，
申请(专利权)人：张家港博发纳米材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32