一种利用激光制备材料表面纳米颗粒的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用激光制备材料表面纳米颗粒的方法，涉及材料表面颗粒制备领域，包括如下步骤：步骤1)、将基板置于真空室的移动平台上；所述基板上设有单层石墨烯；步骤2)、用一聚焦的脉宽1.6ns毛细管放电极紫外激光器对基板进行激光烧灼，激光波长为46.9nm，激光被一超环面镜掠入射反射聚焦，超环面镜没有涂层；在基板同一位置进行单发及多发激光脉冲的辐照；步骤3)、经过步骤2)处理的基板的烧蚀区域形成致密的纳米颗粒。在单层石墨烯的辅助下，纳秒极紫外激光器与玻璃衬底基板的相互作用能够诱导纳米颗粒的自形成，纳米颗粒分布在由聚焦EUV激光能量分布控制的烧蚀区域。由聚焦EUV激光能量分布控制的烧蚀区域。由聚焦EUV激光能量分布控制的烧蚀区域。

A method of preparing nano particles on the surface of materials by laser

【技术实现步骤摘要】
一种利用激光制备材料表面纳米颗粒的方法


[0001]本专利技术涉及材料表面颗粒制备领域，具体是一种利用激光制备材料表面纳米颗粒的方法。

技术介绍

[0002]激光烧蚀是一个复杂的过程，因为光子能量可以转移为各种形式，包括电子能、热能、化学能、机械能等。在不同的机制下，可以获得相应的表面行为，如纳米颗粒和周期性表面结构通过激光加工生成纳米颗粒或纳米结构的形态可以通过调整激光的输出参数来控制。此外，激光照射造成的污染也很小。因此，人们可以得到纯度更高的产品。
[0003]在不同的环境下，不同激光产生纳米颗粒的方法有很多。1981年，Smalley等人首次利用激光汽化技术得到了金属团簇，2000年，Z.Paszti等人利用纳秒钕玻璃激光器在Ar气环境下照射铜靶和银靶，获得了小于50nm的纳米颗粒。除了气体环境外，纳米颗粒还可以在液体环境中获得。Stefano Scaramuzza等人研究了利用1.06μm激光在液体溶液中产生亚稳态纳米合金颗粒，分析了化学环境对纳米粒子产生的影响，为获得各种应用的多元素纳米颗粒提供了方法。
[0004]近年来，随着超短激光器的发展，基于飞秒激光诱导纳米颗粒也有一定研究进展。激光诱导的纳米颗粒形成强烈地依赖于激光与靶的相互作用过程。到目前为止，用于产生纳米颗粒的激光光源大多为可见光到红外波段。由于短波激光与物质的相互作用过程具有特殊性和复杂性，很少有相关方面的应用。
[0005]毛细管放电极紫外激光器是一种亮度高、费用低的小型短波长激光器。

技术实现思路

>[0006]专利技术目的：本专利技术目的在于针对现有技术中的问题，提供一种利用激光制备材料表面纳米颗粒的方法，利用短波激光与材料的相互作用，使目标的表面形成纳米颗粒。
[0007]技术方案：一种利用激光制备材料表面纳米颗粒的方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1)、将基板置于真空室的移动平台上；所述基板上设有单层石墨烯；
[0009]步骤2)、用一聚焦的脉宽1.6ns毛细管放电极紫外激光器对基板进行激光烧灼；
[0010]具体参数为：激光波长为46.9nm，激光被一超环面镜掠入射反射聚焦，超环面镜没有涂层，在基板同一位置进行单发或多发激光脉冲的辐照；
[0011]步骤3)、经过步骤2)处理的基板的烧蚀区域形成致密的纳米颗粒。
[0012]进一步的，所述步骤2)中，多发激光脉冲的辐照的发数为2
‑
25次。
[0013]进一步的，所述步骤2)中，激光被一超环面镜掠入射反射聚焦的平均能量密度为500mJ/cm2。
[0014]进一步的，所述基板为玻璃基板。
[0015]进一步的，所述纳米颗粒由基板材料形成。
[0016]进一步的，所述纳米颗粒的形状为锥形，所述纳米颗粒的高度小于100nm，所述纳
米颗粒的直径小于100nm；所述纳米颗粒的高度随激光烧蚀次数的增加而减小。
[0017]进一步的，所述纳米颗粒的高度分布标准差随着激光烧蚀次数的增加而增大。
[0018]进一步的，单次激光烧蚀产生纳米颗粒的平均高度为75nm。
[0019]有益效果：在单层石墨烯的辅助下，纳秒极紫外激光器与玻璃基板的相互作用能够诱导纳米颗粒的自形成，纳米颗粒分布在由聚焦EUV激光能量分布控制的烧蚀区域，在相互作用过程中，由于3％的激光能量被单层石墨烯吸收导致了这种特殊的表面行为。
附图说明
[0020]图1为未进行烧蚀的裸玻璃基板及附有单层石墨烯的玻璃基板的拉曼光谱；
[0021]图2为裸玻璃基板及附有单层石墨烯的玻璃基板烧蚀区域的AFM图像；
[0022]图3为裸玻璃基板及附有单层石墨烯的玻璃基板烧蚀区域的横截面；
[0023]图4为附有单层石墨烯的玻璃基板烧蚀区域中的纳米颗粒；
[0024]图5为单次及多次激光烧灼诱导的纳米颗粒高度分布。
[0025]图6为在线扫描模式下用拉曼光谱来探测石墨烯层在烧蚀边界的转变；
[0026]图7为烧蚀区内纳米颗粒的形成示意图。
具体实施方式
[0027]下面通过附图对本专利技术技术方案进行详细说明，但是本专利技术的保护范围不局限于实施例。
[0028]本专利技术用到的设备和材料：
[0029]脉宽1.6ns的毛细管放电EUV激光器：作为辐射源，该激光器以快速电流脉冲激发毛细管内Ar气，获得高温高密度等离子体柱，可输出46.9nm和69.8nm的饱和激光。在本专利技术中，
[0030]激光烧灼的参数：
[0031]激光工作在46.9nm波长，用没有涂层的超环面镜以掠入射反射的方式聚焦，激光被一超环面镜掠入射反射聚焦的平均能量密度约为500mJ/cm2。
[0032]照射目标为：表面设有单层石墨烯的玻璃基板(目标靶材)和裸玻璃基板(对照靶材)。
[0033]将目标放置在一个真空室内的移动平台上，在相同的位置用1、2、6和25次激光烧蚀。
[0034]如图1所示，在激光烧蚀前，用拉曼光谱检测目标靶材和对照靶材，结果如下：
[0035]在烧蚀前，用拉曼光谱检测目标靶材。在2678cm
‑1处检测到一个尖锐的2D峰，在1586cm
‑1处检测到G峰。G峰与2D峰强度比值约为0.34，表明样品由单层石墨烯组成，没有D峰(约1350cm
‑1)表明石墨烯层几乎没有缺陷。较宽的拉曼信号在2423厘米处
‑1提示了玻璃基板的存在。
[0036]1、采用AFM检测并分析烧蚀区域。
[0037]图2显示两目标的AFM图像，图2(a)裸玻璃基板、图2(b)附有单层石墨烯的玻璃基板，两烧蚀区域分别为25发激光脉冲对目标靶材和对照靶材的烧蚀结果，AFM的检测窗口为80μm。烧蚀区域相似的轮廓表明，这两个靶材被相同的光斑所烧蚀。这两种烧蚀模式之间最
明显的区别是，附有单层石墨烯的玻璃基板的烧蚀区域似乎完全被致密的纳米颗粒所覆盖，而在裸玻璃基板的烧蚀区域没有检测到明显的微纳米结构。
[0038]测量烧蚀区域的深度、形态的横截面如图3所示，这表明裸基板的烧蚀面积相当平滑，根据图3的深度信息所示，附有石墨烯的玻璃基板上的烧蚀面积粗糙，图2所示的纳米颗粒的高度小于100nm。
[0039]2、用原子力显微镜检测了烧蚀区域的纳米颗粒。
[0040]从图4中可以看出，设有单层石墨烯的玻璃基板上的纳米颗粒从目标表面“生长出来”。显然，纳米颗粒是自形成的。这些粒子的高度为几十纳米，直径约为100纳米。
[0041]图5为多次激光照射诱导的纳米颗粒高度的统计数据。结果表明，单次激光照射诱导的纳米颗粒的平均高度为约为75nm，然后随着激光照射量的增加而减小。这表明纳米颗粒是由第一次激光照射形成的，然后吸收随后的光子能量。此外，纳米颗粒高度分布的标准差也随激光照射的增加而增大。这可以用纳米颗粒在烧蚀区域引起的激光能量的无序吸收来解释。因此，在多次激本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用激光制备材料表面纳米颗粒的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1)、将基板置于真空室的移动平台上；所述基板上设有单层石墨烯；步骤2)、用一聚焦的脉宽1.6ns毛细管放电极紫外激光器对基板进行激光烧灼；具体参数：激光波长为46.9nm，激光被一超环面镜掠入射反射聚焦，超环面镜没有涂层，在基板同一位置进行单发或多发激光脉冲的辐照；步骤3)、经过步骤2)处理的基板的烧蚀区域形成致密的纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的一种利用激光制备材料表面纳米颗粒的方法，其特征在于，所述步骤2)中，多发激光脉冲的辐照的发数为2
‑
25次。3.根据权利要求2所述的一种利用激光制备材料表面纳米颗粒的方法，其特征在于，所述步骤2)中，激光被一超环面镜掠入射反射聚焦的平均能量密度为500mJ...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔怀愈，赵东迪，赵永蓬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：