脉冲激光在共轭聚合物表面制备条纹结构的方法和设备技术

本发明专利技术公开了一种脉冲激光在共轭聚合物表面制备条纹结构的方法，该方法选用的聚合物为在导电玻璃上经电化学沉积聚合的共轭聚合物膜，聚合物薄膜放置于带光学透明窗口的样品室，固定在三维精密位移台上，然后将一束脉冲激光经扩束后经由柱面镜聚焦成线性光束到聚合物膜表面，控制激光器的输出能量，使相干处的能量密度小于聚合物消融所需的能量密度阈值，使用三维精密位移平台移动样品室，从而聚合物表面受到光束照射的地方形表面起伏条纹结构，本发明专利技术方法形成的条纹结构的分辨率可达到亚微米甚至纳米尺寸，有望应用于液晶显示器件、聚合物太阳能电池组件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光电子材料
，特别涉及在共轭聚合物表面利用脉冲激光诱导快速高效地制备大面积均周期性条纹结构的方法。
技术介绍
单束脉冲激光直接照射聚合物材料表面自发形成有序的米表面条纹结构是激光物理领域一个重要的现象。由于条纹具有高度规则性，这种现象被称为激光诱导表面周期性结构(LIPSS)。LIPSS的形成是由于入射光与表面散射波发生干涉对激光能量密度的周期性分布，促使聚合物分子产生局部迁移、降解等形成。近年来，人们在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)和聚醚醚酮(PEEK)等聚合物材料表面获得了激光诱导周期性表面微结构。LIPSS结构在液晶定向模板，聚合物的表面改性等得到广泛应用。共轭聚合物是一类具有单键双键交替共轭形成的聚合物，它具有独特的电子、电化学和光学性质，因此在能源、信息存贮、光电子器件、传感器、军事隐身技术等方面具有重要的应用。在先技术(Vandyke LS, Brumlik CJ, Martin CR, Yu ZG, Collins GJ, UV laser ablation ofelectronically conductive polymers, Synth.Met.1992, 52 (3):299-304)中米用紫外激光束聚焦辐照聚吡咯和聚苯胺薄膜表面，利用激光的消融作用在薄膜表面制备出共轭聚合物表面微结构，该方法由于采用紫外光作为光源，由于这些波长激光光子的能量大于或接近于聚合物的键能，在微结构的制备过程中往往伴随着聚合物材料的光分解或光降解，聚合物的性能受到明显影响。专利CN1654516A利用两束飞秒激光干涉聚焦的方法，在共轭聚合物薄膜表面形成一系列点，而在每个点内包含导电聚合物周期性微光栅结构，形成条纹结构所需的能量密度大于共轭聚合物消融所需的能量密度阈值。该方法需要两束光同时作用，需的设备复杂，采用点扫描的方法，所得图形面积十分有限，因而限制了其应用研究的开展。同时光束能量密度高，因此聚合物容易被氧化降解
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于克服上述技术的不足，提供一种快速、高效的制备大面积共轭聚合物表面制备周期性条纹结构的方法，本专利技术的方法和设备能够直接在大面积的共轭聚合物表面通过一次性扫描，制备出无消融降解的共轭聚合物，可以满足大批量生产的实际要求，具体实施步骤是:①在导电玻璃表面用电化学聚合物制备共轭聚合物薄膜，将聚合物膜放置于样品室中;②将一束脉冲激光经扩束镜，然后由柱面镜聚焦，形成线状光斑聚集在聚合物膜表面；③控制激光器的输出能量，使相干处的能量密度小于导电聚合物消融所需的能量密度阈值；④控制平移台移动，在激光相干场作用过的聚合物薄膜表面形成周期性微光栅结构。其中，上述方法中步骤I包括以下步骤:(I)将沉积聚合有聚合物膜的导电玻璃基片放置于带光学透光窗口的密封样品室内；(2)将所述装有透光窗口的密闭腔体抽取空气至真空度为预先设置的数值范围，进一步地，所述步骤I还包括将辅助气体的一种或几种的混合物充入样品室内，所述辅助气体是指在聚合物膜刻写制备过程中，起钝化、防止聚合物消融降解作用的气体，包括N2、He、Ne、Ar中的一种或几种。在上述方法中，所述步骤2具体包括:将激光器输出的脉冲激光光束经扩束后，利用聚焦光学元件将整形后的光束汇聚成线形光斑，聚焦在样品膜表面附件，所述激光器输出激光的脉冲宽度从飞秒至毫秒范围，激光器输出频率从0.1-100K赫兹范围，激光器输出的单脉冲能量从0.1毫焦耳1000焦耳范围。并且，所述脉冲激光光束整形并聚焦后为线性光斑，光斑的宽度在10微米至I毫米。所述聚焦光学元件是能对激光光束进行单方向聚焦或各向压缩非对称的单个光学元件或两个及两个以上的光学元件组合，如柱面镜、柱透镜、光栅等能把光束汇聚形成线状的单个光学元件或多个光学元件的组合。在上述方法中，所述步骤3具体包括:依据聚合物种类和聚合物膜的大小，确定所需激光能量密度、脉冲宽度、激光波长、以及扫描速度。本专利技术还提供了一种快速制备大面积共轭聚合物膜表面条纹结构的设备，其特征在于:带透光窗口的密封样品室，其内部放置共轭聚合物膜并形成激光刻写环境；整形聚焦部件，对激光光束整形并聚焦为线形光斑，辐照所述聚合物膜表面；控制系统,控制所述激光光束在聚合物表面进行光栅式扫描，在聚合物膜表面生长条纹结构。优选地，所述真空室是装有光学窗`口的密闭腔体，并且所述腔体抽取空气至真空度为预先设置的数值范围。进一步地，可通过置换方式在密闭腔内充入一种或多种惰性气体。优选地，所述整形聚焦部件包括光束整形器、空间滤波器、光束扩束器以及聚焦光学元件。其中，所述聚焦光学元件是能对激光光束进行单方向聚焦或各向压缩非对称的单个光学元件或两个及两个以上的光学元件组合。优选地，所述控制系统依据聚合物种类和聚合物膜的大小，确定所需激光能量密度、脉冲宽度、激光波长、以及扫描速度。本专利技术其采用线性聚焦光束扫描方法和设备制备共轭聚合物表面条纹结构，制备效率高，而且制备出的聚合物膜表面微结构均匀性好，特别适合用于制作太阳能电池和聚合物膜表面光栅。采用这种方法制备共轭聚合物膜表面条纹结构是聚合物分子链产生迁移取向产生，不会发生消融降解，不受激光器单脉冲能量的和重复频率的限制。附图说明图1为本专利技术方法用脉冲激光诱导共轭聚合物表面周期性条纹微结构的装置示意图。图2为本专利技术方法制得的共轭聚合物膜表面条纹结构的显微照片。具体实施例方式下面通过实施例对本专利技术脉冲激光诱导共轭聚合物表面条纹结构薄膜的方法作进一步说明，以便于对本专利技术及其优点的理解。图1为本专利技术脉冲激光诱导共轭聚合物表面条纹结构的工作原理示意图，本专利技术方法的具体步骤包括:①在导电玻璃表面用电化学聚合物制备共轭聚合物薄膜，将聚合物膜放置于样品室中;②将一束脉冲激光经扩束镜扩束，然后由柱面镜聚焦，形成线状光斑聚集在聚合物膜表面；③控制激光器的输出能量，使相干处的能量密度小于导电聚合物消融所需的能量密度阈值；④控制平移台移动，在激光相干场作用过的聚合物薄膜表面形成周期性微光栅结构。实施例1:①在导电玻璃表面制备共轭聚合物膜:采用ITO导电玻璃作为工作电极，Pt片电导电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极。量取0.8mL噻吩加入50mL三氟化硼乙醚溶液中，插入三电极，持续通入N2约lOmin。在1.1V恒电位下聚合30min生成聚噻吩膜；然后于0.2V恒电位下扫描,将氧化态膜还原为本征态聚噻吩膜,取出工作电极,此时其表面形成一层薄膜，利用乙醇冲洗干净并在氮气气氛下吹干制成薄膜玻璃样品，将该样品置于样品台上。 ②将所述装有透明光学窗口的密闭腔体抽取空气至真空度为2X10_2Pa。③选用脉冲宽度为45fs的飞秒脉冲，波长为800nm，脉冲重复率为10Hz，脉冲能量密度均为lj/cm2，光束通过焦距为40cm的聚焦透镜垂直入射到样品表面，聚焦后辐照到样品上的线宽约为40 μ m，长度约10mm，形成飞秒激光相干场照射在薄膜样品表面。④由计算机控制所述的三维移动平台的运动，移动速度为0.02mm/s，形成导电聚合物周期性微结构薄膜。如图2所示，该膜条纹结构周期为20 μ m。实施例2:①在导电玻璃表面制备共轭聚合物膜:采用ITO导电玻璃作为工作电极，Pt片电导电极作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在共轭聚合物表面制备条纹结构的方法和设备，是利用脉冲激光在聚合物表面入射光和反射光的干涉引起共轭聚合物表面形成周期性条纹结构，其具体做法是：①在导电玻璃表面用电化学方法制备共轭聚合物薄膜，将聚合物膜放置于带光学透明窗口的样品室中，样品室固定在精密电控三维移动平台上；②将一束脉冲激光经扩束镜扩束后，由柱面镜聚焦，形成线状光斑聚集在聚合物膜表面；③控制激光器的输出能量，使相干处的能量密度小于聚合物消融所需的能量密度阈值；④控制平台移动，在激光相干场作用过的聚合物薄膜表面形成周期性微光栅结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘剑，李晓红，刘子仪，徐丹丹，李园园，朱敏，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：