武汉工程大学的研究人员综述了飞秒激光制备表面微/纳米结构及其应用。相关论文以“Fabrication and applications of surface micro/nanostructures by femtosecond laser”为题发表在《Colloid and Interface Science Communications》上。

随着加工技术的不断进步，制造具有独特表面微/纳米结构的材料成为研究的热点之一。其中，飞秒激光加工作为一种高精度、高效率的制造技术已被广泛采用。与其他传统加工方法相比，飞秒激光加工在可控微/纳米结构加工方面具有一定的优势，可制造出多种结构，包括周期结构、微孔阵列结构、三维结构、复合结构等。它们具有光学防伪、防反射、超疏水性能和超亲水性能等。本文综述了飞秒激光加工材料的简化机理、飞秒激光制备的典型表面微/纳米结构以及飞秒激光制备表面微/纳米结构的典型应用。证明了飞秒激光制造表面微/纳米结构的技术前景和应用潜力。

重点：

1.介绍利用飞秒激光加工制备表面微/纳米结构的类型。

2.介绍飞秒激光制备表面微/纳米结构的应用。

3.简述飞秒激光与材料相互作用的机理。

图1.（a）飞秒激光加工镍薄膜示意图。不同激光通量、脉冲和扫描速度下的激光诱导周期性表面结构(LIPSS)：（b）0.17J/cm²，513nm，0.3mm/s；（c）0.25J/cm²，1026 nm，0.5mm/s。(d)飞秒激光辐照Bi₂Te₃的SEM图像，脉冲能量为3.5μJ至43μJ，脉冲数为100。

图2.(a)飞秒激光烧蚀PDMS表面的SEM图像。(b)飞秒激光辐照铝表面的SEM图像。(c)飞秒激光烧蚀电极材料制备的微孔阵列的SEM图像（石墨烯-40的上下表面）。

图3.(a)飞秒激光辐照钛表面产生的柱状阵列。通过（b）化学处理和（c）退火获得的三维结构。通过飞秒激光微加工和退火，在PMMA表面生成了三种三维图案：(d)由矩形凹槽连接的两个凹槽；(e)同心圆；(f)一端部分连接的周期性矩形凹槽。

图4.(a)飞秒激光处理后PDMS表面的SEM图像。(b)不同形状的液态金属图案，如树叶图案、星形图案和螺旋图案。(c)通过飞秒激光烧蚀钛表面获得的方形矩阵图案结构的SEM图像。

图5.(a)飞秒激光诱导在铁基金属玻璃表面形成光栅孔结构的SEM图像。(b-c)飞秒激光诱导在铁基金属玻璃表面形成的光栅孔结构的AFM图像。(d)飞秒激光辐照PDMS制备的超疏水表面的SEM图像。(e）通过飞秒激光去除部分PDMS并烧蚀硅表面而得到的超疏水-超亲水混合表面的SEM图像（黑色箭头表示超亲水，红色箭头表示超疏水）。(f）e的局部放大图。

图6.(a)从不同方位角（垂直和水平）拍摄的飞秒激光处理过的铜表面的照片和局部放大图。 (b)变色龙的图像。(c)变色龙皮肤的高倍放大图像（与B中的圆圈部分相对应）。(d)仿生变色龙皮肤的全色荧光图像。

图7.(a)飞秒激光加工AZO薄膜以形成可提高反射率的纳米孔阵列示意图。(b)原始AZO薄膜的透射率和相对透射率与波长的函数关系，以及飞秒激光加工后AZO薄膜的透射率和相对透射率。(c)飞秒激光诱导和热氧化黄铜片示意图。(d)飞秒激光诱导和热氧化黄铜片表面的照片和相应的SEM图像。(e)用不同方法加工黄铜片后反射率的变化示意图。

图8.(a)利用飞秒激光在硫系玻璃As₂Se₃上制作微透镜阵列的过程示意图。(b)简化的红外光学成像装置。(c)利用飞秒激光辐照As₂Se₃制备的微透镜阵列的光学显微镜图像。(d)利用飞秒激光辐照As₂Se₃制备的微透镜阵列的SEM图像。(e)利用飞秒激光辐照As₂Se₃制备的微透镜阵列的三维轮廓图像。

图9.(a)飞秒激光在PI薄膜上制备的超疏水和超亲水表面示意图。(b)飞秒激光制备MSR的示意图和MSR的理论表面形貌。(c)MSR的工作原理示意图，其中MSR可在磁场作用下进行液滴转移。

图10.(a)实验装置中的MDS示意图。(b)传统传感器与超多孔基质MDS的溶解氧信号对比。(c)未加工的泡沫铜和(d)激光处理过的泡沫铜的SEM图像。

图11.(a)柔性衬底上不同连接类型的集成石墨烯超级电容器(GNSC)示意图。(b)GNSC在电压扫描速率为 25 mV/s时的CV结果。(c)电流密度为0.5mA/cm²时GNSC的GCD结果。(d)CuO/Cu超级电容器的制备工艺示意图。

飞秒激光表面微/纳米结构制备技术是一种利用飞秒激光的超快时间和高能量密度在材料表面制备微/纳米级结构的前沿制造技术。由于其精度高、效率高、适应性强，该技术在许多领域都有广泛的应用前景。本文讨论了微/纳米结构在日常生活中的应用，包括防伪、防反射、透镜阵列、超疏水/超亲水、化学传感和电容储能等。尽管已有大量的科学研究和应用，但利用飞秒激光加工制备微纳结构仍需要科学家对其未开发区域进行研究，例如，如何“叠加”利用飞秒激光制备的微/纳结构的功能特性。可以预见，随着科学技术的不断发展和进步，这项技术在未来几年将得到更广泛的应用和推广，并取得更大的突破，为各领域的创新和发展提供新的机遇和挑战。