飞秒激光直写技术作为一种先进的微纳加工技术。因其精度高、绿色高效和可选择材料广泛等优点被广泛应用与各种微纳加工领域。而压电薄膜表面微工程化在是提升薄膜压电性能的重要手段之一。目前，薄膜表面微工程化通常使用掩模法和纳米压印法，但这两种方法存在效率低、精度低、成本高和难以加工无机脆性材料等缺点。

鉴于此，浙江工业大学激光先进制造研究院姚建华教授团队范丽莎教授提出一种单步、无掩模、非破坏性的飞秒激光直接写入路线实现了PZT薄膜的几何微工程。以每秒3.0×105的生产率制造了包括纳米凸起、纳米火山和纳米洞穴在内的各种纳米结构阵列。纳米凸起是由PZT薄膜从硅基底局部膨胀形成，由快速激光加热产生的累积压缩应力驱动。当超过PZT的消融阈值时，纳米凸起演变为纳米火山，直到产生消融纳米洞穴。通过调整激光能量和聚焦水平，可以精细调节纳米凸起和纳米洞穴的特征尺寸。对带有纳米凸起、纳米火山和纳米洞穴的PZT薄膜的压电性能进行了比较研究。与平坦PZT薄膜相比，带有450纳米高凸起的PZT薄膜在压电响应上实现了近30%的增强。理论模拟显示，与平坦薄膜相比，在相同的外部压力下，空心凸起的应变显著放大，这可以直接转化为提高的输出电压。

使用激光共聚焦显微镜和原子力显微镜(AFM)对整个表面形貌进行表征。如图1b所示，通过调整激光扫描速度，使其单个脉冲被分离，在薄膜表面形成排列整齐、分布均匀的微结构。图1c的AFM图像显示，随着激光能量密度的提高，纳米鼓包逐渐变高，达到一定阈值后从中间开始破裂，形成火山口形貌，继续增大能量密度后完全烧蚀形成凹槽。

对比了各种表面微结构PZT薄膜的压电性能，结果如图2所示，带有450纳米高凸起的PZT薄膜显示出最高的压电响应。其原因是纳米鼓包的空心突出几何形状使得PZT薄膜中的应力分布集中。当施加外部压力时，应力集中在纳米凸起的顶部，引起它们内部更显著的几何应变。图2h中所示的模拟结果支持了这一结论。薄膜厚度设置相同，并施加了5千帕的压力。在纳米凸起顶部发现最大应变为10-6，而应变在平坦薄膜和带有纳米洞穴图案的薄膜中均匀分布，为10-8，比带有纳米凸起图案的薄膜低两个数量级。纳米凸起的形成增强了PZT薄膜的机械变形，导致电-机械能量转换的改善和输出电压的增加。

△ 表面微结构表征图

△ 不同表面微结构输出对比和应变仿真结果图

使用压电原子力显微镜测试了具有鼓包微结构的薄膜和平面薄膜的电滞回线，并对鼓包顶部进行了畴写入。结果如图3所示，在相同偏置电压下鼓包顶部的形变量达到500pm，大于薄膜350pm，并且成功对鼓包顶部区域进行了畴写入。最后，将具有450纳米鼓包微结构PZT薄膜和平面PZT薄膜封装，将其制成雨量检测传感器，对比了两种薄膜的雨量检测性能。如图4所示，在降雨监测测试中，带有450纳米高凸起的PZT薄膜对下落雨滴的响应高于平坦PZT薄膜，预示着飞秒激光几何工程在先进压电传感应用开发中的潜力。

相关研究成果以“Femtosecond-laser-enabled geometric micro-engineering of PZT films for boosted piezoelectric response and rainfall monitoring demonstration”为题发表在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。浙江工业大学为第一单位，我院范丽莎教授为第一作者，姚建华教授和吴化平教授为通讯作者。

△ PFM图像

△ 雨量监测结果对比图