一种基于激光直写的金属氧化物微纳结构、其制备和应用制造技术

本发明专利技术属于激光应用技术领域，更具体地，涉及一种基于飞秒激光直写的金属氧化物微纳结构、其制备和应用。本发明专利技术首先将金属氧化物前驱体与溶剂混合制备得到金属氧化物前驱体溶胶凝胶，接着将该溶胶凝胶涂覆于衬底表面得到凝胶薄膜，进行飞秒激光直写，利用飞秒激光高峰值功率产生的能量使金属氧化物前驱体发生反应生成金属氧化物微纳结构。本发明专利技术通过飞秒激光直写技术直接实现金属氧化物微纳结构的制备，由于飞秒激光峰值功率高，可直接烧结出金属氧化物，不需要其他处理，方便快捷。适用于任意亲疏水基底，可实现高精度、跨尺度、高定向的任意金属氧化物微纳结构的制备。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光直写的金属氧化物微纳结构、其制备和应用
本专利技术属于激光应用
，更具体地，涉及一种基于飞秒激光直写的金属氧化物微纳结构、其制备和应用。
技术介绍
金属氧化物是当今社会应用最为广泛的材料之一，在超导、气敏、催化等方面具有众多优异的特性，已成为光电子领域非常具有发展前景的理想材料。基于纳米材料的表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特异性能，纳米金属氧化物在众多领域的应用优于常规氧化物，因而纳米金属氧化物的制备及其性质研究成为科研工作者研究的热点。常见的金属氧化物有SnO2，ZnO，NiO，ZrO2和TiO2等。以SnO2为典型代表，SnO2因其气敏响应高、性质稳定、环境友好以及成本低廉等优点，被广泛应用于气敏传感元件的制造。目前，实现金属氧化物的图案化的方法主要有传统光刻蚀、微喷印、紫外光曝光、激光直写等方法。传统光刻蚀技术需设计昂贵掩膜版，并进行一系列光刻工艺，过程繁琐。微喷印技术包括静电纺丝和电流体喷印等，可快速地实现大面积金属氧化物的制备，然而该技术局限于2D及2.5D的图案化，缺乏灵活性。紫外光曝光方法是通过在前驱体中加入具有紫外吸收的光螯合剂，利用前驱体曝光前后在溶剂中溶解度的差异，实现金属氧化物的图案化，该方法与传统光刻蚀工艺相似，同样需要借助掩膜版。另外，上述方法所制备的金属氧化物大多为非晶、多晶，需要经过后期高温热处理才能得到结晶态的金属氧化物。因此，现有的金属氧化物微纳结构的制备方法存在过程繁琐、缺乏灵活性、须后期高温热处理，无法适用于有机柔性衬底等不足。>激光直写技术，利用前驱体在激光焦点处高温烧结或发生光化学反应，生成金属氧化物。并且，将激光与振镜及位移平台相结合，实现激光在材料内快速扫描，可得到任意结构的金属氧化物，无需掩膜版。其中，飞秒激光脉冲宽度在飞秒量级，单脉冲能量小，与材料作用的时间极短，因此热扩散范围小属于冷加工，可在柔性衬底上进行材料制备。并且，飞秒激光束通过高数值孔径物镜聚焦后，具有超衍射极限的加工精度，可实现高精度微纳结构的制造。在过去的十几年里，飞秒激光制备金属氧化物的研究工作主要有两大思路：一是在前驱体中加入光敏材料，由激光诱发出光化学反应，利用前驱体在激光直写前后在溶剂中溶解度的差异性，实现金属氧化物的图案化；二是在衬底表面蒸镀金属纳米薄膜如Au、Pt、Ti、Cr等，利用金属薄膜在激光作用下发生光热效应，在激光焦点处产生高瞬时温度，诱导前驱体在高温作用下生成金属氧化物。然而，上述两种方法所制备的金属氧化物结晶性差，需要经过后期高温热处理才能得到晶态的金属氧化物。而且上述方法较为复杂，需要额外引入其他的物质来辅助实现金属氧化物的制备，制备得到的金属氧化物微纳结构应用于气敏传感器时，制得的气敏传感器性能不佳。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷，本专利技术提供了一种基于飞秒激光直写直接制备金属氧化物微纳结构的方法，通过将金属氧化物前驱体制成溶胶凝胶薄膜，然后直接将飞秒激光作用于该薄膜，利用飞秒激光本身具有的高峰值功率属性，制备得到金属氧化物图案化微纳结构，该方法无需引入金属吸收层或光敏螯合剂，由此解决现有技术制备金属氧化物微纳结构制备需要引入其他辅助物质、可控性差、精度低、无法适用于柔性衬底等技术问题。按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于飞秒激光直写制备金属氧化物微纳结构的方法，包括如下步骤：(1)将金属氧化物的前驱体与溶剂相混合，制备得到金属氧化物前驱体溶胶凝胶；该溶胶凝胶中金属离子与溶剂配位，形成金属离子的凝胶网络结构；(2)将所述金属氧化物前驱体溶胶凝胶旋涂于衬底上，得到金属氧化物前驱体溶胶凝胶薄膜；(3)采用飞秒激光对所述前驱体溶胶凝胶薄膜进行直写，利用飞秒激光焦点处产生的高温使金属氧化物前驱体发生反应生成金属氧化物，同时在衬底表面形成金属氧化物微纳结构。优选地，所述金属氧化物为二氧化锡、氧化锌、二氧化钛或氧化铝；所述金属氧化物的前驱体为金属氧化物对应的氯盐、醋酸盐或醇盐；所述溶剂为去离子水、无水乙醇、乙醚、异丙醇和乙二醇甲醚中的一种或多种。进一步优选地，所述金属氧化物的前驱体为氯化亚锡、氯化锡、醋酸锌、氯化锌、钛酸四丁酯或异丙醇铝。优选地，步骤(1)具体为：将金属氧化物的前驱体与溶剂混合，在加热条件下搅拌促进金属氧化物的前驱体与溶剂反应形成溶胶，降至室温后经陈化得到金属氧化物前驱体溶胶凝胶；所述陈化时间不少于5小时。进一步优选地，所述陈化时间为24-48小时。进一步优选地，经陈化得到金属氧化物前驱体溶胶凝胶后，向其中加入表面活性剂，搅拌均匀，使所述表面活性剂在所述金属氧化物前驱体溶胶凝胶中的浓度为2-50g/L；所述表面活性剂优选为聚乙二醇。优选地，步骤(1)所述溶胶凝胶中金属氧化物前驱体的浓度为0.4～0.8mol/L。优选地，步骤(2)所述金属氧化物前驱体溶胶凝胶薄膜的厚度为0.2～4微米。优选地，步骤(2)采用匀胶机将所述金属氧化物前驱体溶胶凝胶薄膜旋涂在衬底上，匀胶机的转速为500-3000r/min，旋涂时间为5s-30s。优选地，步骤(3)通过控制飞秒激光运动轨迹获得所需的图案化微纳结构，其中，所述飞秒激光的功率为50mW以上。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种按照所述的方法制备得到的金属氧化物微纳结构。优选地，所述金属氧化物微纳结构中包含图案化的微米线，所述微米线由金属氧化物纳米晶粒堆积而成，所述微米线的线宽为0.7-2微米，金属氧化物微纳结构中纳米晶粒粒径为20～200纳米。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种所述的金属氧化物微纳结构的应用，用于制备气敏传感器或紫外光探测器。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术首先将金属氧化物前驱体与溶剂混合制备得到金属氧化物前驱体溶胶凝胶，接着将该溶胶凝胶涂覆于衬底表面得到凝胶薄膜，然后利用飞秒激光直写，利用飞秒激光焦点处高峰值功率产生的热量使金属氧化物前驱体发生反应生成金属氧化物微纳结构。该方法无需在衬引入额外的金属吸收层或光敏螯合剂，可以直接在衬底表面直写出金属氧化物微纳结构，而不会破坏衬底，且无需后期退火处理。本专利技术通过飞秒激光直写技术直接实现金属氧化物微纳结构的制备，由于飞秒激光峰值功率高，可直接烧结出金属氧化物，不需要其他处理，方便快捷。(2)本专利技术可以通过控制飞秒激光运动轨迹直写出设计的金属氧化物微纳结构图案，所制备出的金属氧化物微纳结构精度可达1微米以下，为电子器件的小型化、集成化提供了一种简单高效的加工方法。(3)本专利技术提出的方法其适用范围广，由于飞秒激光超高的峰值功率(以飞秒激光输出的平均功率为2W计算，其峰值功率2.5e5W)，可以普遍将金属氧化物前驱体烧结为金属氧化物，满足不同的应用场景，具有很强实用性。(4)本专利技术通过在金属氧化物前驱体溶胶凝胶中引入表面活性剂，可控制制备出的金属氧化物的晶粒大小，晶粒粒径在20-200纳米左右。微纳结构中微米线的线宽本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于飞秒激光直写制备金属氧化物微纳结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)将金属氧化物的前驱体与溶剂混合，制备得到金属氧化物前驱体溶胶凝胶；该溶胶凝胶中金属离子与溶剂配位，形成金属离子的凝胶网络结构；/n(2)将所述金属氧化物前驱体溶胶凝胶涂覆在衬底上，得到金属氧化物前驱体溶胶凝胶薄膜；/n(3)采用飞秒激光对所述前驱体溶胶凝胶薄膜进行直写，利用飞秒激光光焦点处产生的热量使金属氧化物前驱体发生反应生成金属氧化物，同时在衬底表面形成金属氧化物微纳结构。/n

【技术特征摘要】
20200807 CN 20201078824081.一种基于飞秒激光直写制备金属氧化物微纳结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将金属氧化物的前驱体与溶剂混合，制备得到金属氧化物前驱体溶胶凝胶；该溶胶凝胶中金属离子与溶剂配位，形成金属离子的凝胶网络结构；
(2)将所述金属氧化物前驱体溶胶凝胶涂覆在衬底上，得到金属氧化物前驱体溶胶凝胶薄膜；
(3)采用飞秒激光对所述前驱体溶胶凝胶薄膜进行直写，利用飞秒激光光焦点处产生的热量使金属氧化物前驱体发生反应生成金属氧化物，同时在衬底表面形成金属氧化物微纳结构。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属氧化物为二氧化锡、氧化锌、二氧化钛或氧化铝；所述金属氧化物的前驱体为金属氧化物对应的氯盐、醋酸盐或醇盐；所述溶剂为去离子水、无水乙醇、乙醚、异丙醇和乙二醇甲醚中的一种或多种。


3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)具体为：将金属氧化物的前驱体与溶剂混合，加热搅拌促进金属氧化物前驱体与溶剂反应形成溶胶，降至室温后经陈化得到金属氧化物前驱体溶胶凝胶；所述陈化时间不少于5小时。


4.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗为，熊伟，毛天立，龙婧，王莹琛，刘欢，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42