Small Methods: 飞秒激光直写金属微纳结构 – 从制造方法到未来应用

微纳结构化金属材料由于独特的光学和电学性质,在超材料、电子器件、纳光子器件、近场光学以及催化、储能等诸多研究领域展示出了重要应用前景。研究者们提出了各种金属微纳结构的可控制备方法。例如,化学合成、自组装、光刻、聚焦离子束加工、以及3D打印都成功用于金属微纳结构制备,各具优势和特点。然而,这些加工手段也同时存在一些不足,尤其三维金属微纳结构制备与集成,仍然是这些常规技术所面临的最大挑战。作为一项三维微纳制造技术,飞秒激光直写已经实现多种类材料三维微纳结构的可控加工,并且显示出了易于集成、无掩膜、任意形状可设计、高分辨率、适用于非平面衬底等独特优势。飞秒激光直写技术的快速发展极大地促进了功能金属微纳器件的制备和应用研究。

近日,吉林大学孙洪波Ÿ张永来教授团队对飞秒激光直写金属微纳结构的多样化制造方法和集成技术做了系统性的总结与评述,并对其丰富的功能应用进行了系统性的梳理和展望。从制造方法上详细介绍和总结了双光子诱导金属离子还原、飞秒激光预制模板结合金属填充/表面包覆复合技术、光动力金属纳米粒子自组装以及激光诱导金属纳米粒子烧结等四种典型加工手段,并分析了各种方法的优缺点。进而,该文章还对飞秒激光直写制备金属微纳结构在微电子、超材料、近场光学、微流体、微机械、以及传感器等领域的应用进行了评述。文章末尾对当前金属微纳结构激光制备存在的问题也进行了深入的分析和展望。他们认为目前较高电导率的真三维实体金属微纳结构的激光加工仍然是一个领域难题。尽管飞秒激光预制模板再结合金属填充包覆等技术能够制造出三维微纳结构,但在模板去除后,结构的变形甚至坍塌明显。此外,为避免较大的光学损耗或电导率降低,金属微纳结构表面粗糙度仍需进一步提高,目前飞秒激光直写金属结构的极限分辨率(约为120纳米)与光刻技术相比,还有一定差距,需要不断提高。这些问题是限制飞秒激光直写金属微纳结构广泛应用的因素。但其未来发展前景比较乐观,将来随着激光加工方案的完善和优化以及新颖的光化学、光物理策略的出现,上述难题都有望一一解决,实现任意形貌、低表面粗糙度、以及高分辨率的金属结构制造并不是遥不可及,未来该项技术的发展将大力推动相关科学研究和实际应用。

相关综述论文发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201700413)上,第一作者是马卓晨博士,题为“Femtosecond-Laser Direct Writing of Metallic Micro/Nanostructures: From Fabrication Strategies to Future Applications”。