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清華大學(xué)在激光微納制造研究取得進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Laser Induced Coffee-Ring Structure through Solid-Liquid Transition for Color Printing”為題發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Small》(2023, 19, 2205696)，并被選為期刊封面文章 (front cover)。

清華大學(xué)博士生謝家旺為本論文第一作者，閆劍鋒副教授為通訊作者，該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

圖1：激光微納加工的“咖啡圈”以及圖案化彩色打印應(yīng)用

日常生活中，當(dāng)咖啡滴在桌上，由于物質(zhì)遷移過(guò)程中的“咖啡環(huán)效應(yīng)”，揮發(fā)后可形成一個(gè)環(huán)狀“咖啡圈”。本研究用超快激光微納加工技術(shù)結(jié)合瞬態(tài)固液轉(zhuǎn)變控制，實(shí)現(xiàn)了在固體基體超快激光加工出具有微米尺度的“咖啡圈”。利用這種方法在金屬銅、鋁等金屬以及半導(dǎo)體等基體上，可進(jìn)行更大面積（2英寸以上）的精密圖案化激光加工，并實(shí)現(xiàn)圖案化彩色打印應(yīng)用，該技術(shù)在機(jī)械、光學(xué)、信息等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

圖2： 激光微納加工的固液轉(zhuǎn)變控制示意圖。

圖3：固液轉(zhuǎn)變控制制備的咖啡環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖4：激光照射下的固液轉(zhuǎn)變過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

圖5：基于咖啡環(huán)結(jié)構(gòu)圖案化彩色打印應(yīng)用。

綜上所述，清華大學(xué)研究人員提出了一種新的超快激光微納加工技術(shù)結(jié)合瞬態(tài)固液轉(zhuǎn)變策略，在金屬表面制備獨(dú)特的咖啡環(huán)結(jié)構(gòu)。通過(guò)利用初始脈沖激勵(lì)調(diào)制金屬?gòu)墓滔嗟揭合嗟乃矐B(tài)，隨后的超快脈沖誘導(dǎo)反沖壓力可以抑制等離子體發(fā)射，從而實(shí)現(xiàn)咖啡環(huán)結(jié)構(gòu)的可控制造。通過(guò)泵-探針實(shí)驗(yàn)和TTM-MD模擬揭示了咖啡環(huán)結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理。在較短的入射延遲時(shí)間(≈1 ~ 10ps)，即晶格加熱到液態(tài)的短時(shí)間內(nèi)，第二脈沖照射在固體材料上，形成圓形燒蝕坑。在延遲時(shí)間≈10-50 ps時(shí)，初始脈沖將晶格加熱至熔化溫度，第二次脈沖照射到液體材料上。第二個(gè)脈沖在液體材料中誘導(dǎo)了反沖壓力，抑制了熔化材料的去除，致使咖啡環(huán)結(jié)構(gòu)的形成。在較大的入射延遲時(shí)間(約50 ~ 200 ps)下，圓形燒蝕坑外圍熔融物質(zhì)凝固。當(dāng)?shù)诙蚊}沖照射到再凝固的材料上時(shí)，咖啡環(huán)的外圍形成了穗狀結(jié)構(gòu)。此外，制備了各種不同結(jié)構(gòu)顏色的圖案，實(shí)現(xiàn)圖案化彩色打印應(yīng)用。基于對(duì)光-材料相互作用的新探索，他們的研究提供了一種新的微納加工制造技術(shù)。

論文鏈接： (Small,2023, 19, 2205696)

https://doi.org/10.1002/smll.202370032