脈沖激光在共軛聚合物表面制備條紋結構的方法和設備技術

本發明專利技術公開了一種脈沖激光在共軛聚合物表面制備條紋結構的方法，該方法選用的聚合物為在導電玻璃上經電化學沉積聚合的共軛聚合物膜，聚合物薄膜放置于帶光學透明窗口的樣品室，固定在三維精密位移臺上，然后將一束脈沖激光經擴束后經由柱面鏡聚焦成線性光束到聚合物膜表面，控制激光器的輸出能量，使相干處的能量密度小于聚合物消融所需的能量密度閾值，使用三維精密位移平臺移動樣品室，從而聚合物表面受到光束照射的地方形表面起伏條紋結構，本發明專利技術方法形成的條紋結構的分辨率可達到亞微米甚至納米尺寸，有望應用于液晶顯示器件、聚合物太陽能電池組件。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及光電子材料
，特別涉及在共軛聚合物表面利用脈沖激光誘導快速高效地制備大面積均周期性條紋結構的方法。
技術介紹
單束脈沖激光直接照射聚合物材料表面自發形成有序的米表面條紋結構是激光物理領域一個重要的現象。由于條紋具有高度規則性，這種現象被稱為激光誘導表面周期性結構(LIPSS)。LIPSS的形成是由于入射光與表面散射波發生干涉對激光能量密度的周期性分布，促使聚合物分子產生局部遷移、降解等形成。近年來，人們在聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)和聚醚醚酮(PEEK)等聚合物材料表面獲得了激光誘導周期性表面微結構。LIPSS結構在液晶定向模板，聚合物的表面改性等得到廣泛應用。共軛聚合物是一類具有單鍵雙鍵交替共軛形成的聚合物，它具有獨特的電子、電化學和光學性質，因此在能源、信息存貯、光電子器件、傳感器、軍事隱身技術等方面具有重要的應用。在先技術(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輻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備出共軛聚合物表面微結構，該方法由于采用紫外光作為光源，由于這些波長激光光子的能量大于或接近于聚合物的鍵能，在微結構的制備過程中往往伴隨著聚合物材料的光分解或光降解，聚合物的性能受到明顯影響。專利CN1654516A利用兩束飛秒激光干涉聚焦的方法，在共軛聚合物薄膜表面形成一系列點，而在每個點內包含導電聚合物周期性微光柵結構，形成條紋結構所需的能量密度大于共軛聚合物消融所需的能量密度閾值。該方法需要兩束光同時作用，需的設備復雜，采用點掃描的方法，所得圖形面積十分有限，因而限制了其應用研究的開展。同時光束能量密度高，因此聚合物容易被氧化降解
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題在于克服上述技術的不足，提供一種快速、高效的制備大面積共軛聚合物表面制備周期性條紋結構的方法，本專利技術的方法和設備能夠直接在大面積的共軛聚合物表面通過一次性掃描，制備出無消融降解的共軛聚合物，可以滿足大批量生產的實際要求，具體實施步驟是:①在導電玻璃表面用電化學聚合物制備共軛聚合物薄膜，將聚合物膜放置于樣品室中;②將一束脈沖激光經擴束鏡，然后由柱面鏡聚焦，形成線狀光斑聚集在聚合物膜表面；③控制激光器的輸出能量，使相干處的能量密度小于導電聚合物消融所需的能量密度閾值；④控制平移臺移動，在激光相干場作用過的聚合物薄膜表面形成周期性微光柵結構。其中，上述方法中步驟I包括以下步驟:(I)將沉積聚合有聚合物膜的導電玻璃基片放置于帶光學透光窗口的密封樣品室內；(2)將所述裝有透光窗口的密閉腔體抽取空氣至真空度為預先設置的數值范圍，進一步地，所述步驟I還包括將輔助氣體的一種或幾種的混合物充入樣品室內，所述輔助氣體是指在聚合物膜刻寫制備過程中，起鈍化、防止聚合物消融降解作用的氣體，包括N2、He、Ne、Ar中的一種或幾種。在上述方法中，所述步驟2具體包括:將激光器輸出的脈沖激光光束經擴束后，利用聚焦光學元件將整形后的光束匯聚成線形光斑，聚焦在樣品膜表面附件，所述激光器輸出激光的脈沖寬度從飛秒至毫秒范圍，激光器輸出頻率從0.1-100K赫茲范圍，激光器輸出的單脈沖能量從0.1毫焦耳1000焦耳范圍。并且，所述脈沖激光光束整形并聚焦后為線性光斑，光斑的寬度在10微米至I毫米。所述聚焦光學元件是能對激光光束進行單方向聚焦或各向壓縮非對稱的單個光學元件或兩個及兩個以上的光學元件組合，如柱面鏡、柱透鏡、光柵等能把光束匯聚形成線狀的單個光學元件或多個光學元件的組合。在上述方法中，所述步驟3具體包括:依據聚合物種類和聚合物膜的大小，確定所需激光能量密度、脈沖寬度、激光波長、以及掃描速度。本專利技術還提供了一種快速制備大面積共軛聚合物膜表面條紋結構的設備，其特征在于:帶透光窗口的密封樣品室，其內部放置共軛聚合物膜并形成激光刻寫環境；整形聚焦部件，對激光光束整形并聚焦為線形光斑，輻照所述聚合物膜表面；控制系統,控制所述激光光束在聚合物表面進行光柵式掃描，在聚合物膜表面生長條紋結構。優選地，所述真空室是裝有光學窗`口的密閉腔體，并且所述腔體抽取空氣至真空度為預先設置的數值范圍。進一步地，可通過置換方式在密閉腔內充入一種或多種惰性氣體。優選地，所述整形聚焦部件包括光束整形器、空間濾波器、光束擴束器以及聚焦光學元件。其中，所述聚焦光學元件是能對激光光束進行單方向聚焦或各向壓縮非對稱的單個光學元件或兩個及兩個以上的光學元件組合。優選地，所述控制系統依據聚合物種類和聚合物膜的大小，確定所需激光能量密度、脈沖寬度、激光波長、以及掃描速度。本專利技術其采用線性聚焦光束掃描方法和設備制備共軛聚合物表面條紋結構，制備效率高，而且制備出的聚合物膜表面微結構均勻性好，特別適合用于制作太陽能電池和聚合物膜表面光柵。采用這種方法制備共軛聚合物膜表面條紋結構是聚合物分子鏈產生遷移取向產生，不會發生消融降解，不受激光器單脈沖能量的和重復頻率的限制。附圖說明圖1為本專利技術方法用脈沖激光誘導共軛聚合物表面周期性條紋微結構的裝置示意圖。圖2為本專利技術方法制得的共軛聚合物膜表面條紋結構的顯微照片。具體實施例方式下面通過實施例對本專利技術脈沖激光誘導共軛聚合物表面條紋結構薄膜的方法作進一步說明，以便于對本專利技術及其優點的理解。圖1為本專利技術脈沖激光誘導共軛聚合物表面條紋結構的工作原理示意圖，本專利技術方法的具體步驟包括:①在導電玻璃表面用電化學聚合物制備共軛聚合物薄膜，將聚合物膜放置于樣品室中;②將一束脈沖激光經擴束鏡擴束，然后由柱面鏡聚焦，形成線狀光斑聚集在聚合物膜表面；③控制激光器的輸出能量，使相干處的能量密度小于導電聚合物消融所需的能量密度閾值；④控制平移臺移動，在激光相干場作用過的聚合物薄膜表面形成周期性微光柵結構。實施例1:①在導電玻璃表面制備共軛聚合物膜:采用ITO導電玻璃作為工作電極，Pt片電導電極作為對電極，飽和甘汞電極作為參比電極。量取0.8mL噻吩加入50mL三氟化硼乙醚溶液中，插入三電極，持續通入N2約lOmin。在1.1V恒電位下聚合30min生成聚噻吩膜；然后于0.2V恒電位下掃描,將氧化態膜還原為本征態聚噻吩膜,取出工作電極,此時其表面形成一層薄膜，利用乙醇沖洗干凈并在氮氣氣氛下吹干制成薄膜玻璃樣品，將該樣品置于樣品臺上。 ②將所述裝有透明光學窗口的密閉腔體抽取空氣至真空度為2X10_2Pa。③選用脈沖寬度為45fs的飛秒脈沖，波長為800nm，脈沖重復率為10Hz，脈沖能量密度均為lj/cm2，光束通過焦距為40cm的聚焦透鏡垂直入射到樣品表面，聚焦后輻照到樣品上的線寬約為40 μ m，長度約10mm，形成飛秒激光相干場照射在薄膜樣品表面。④由計算機控制所述的三維移動平臺的運動，移動速度為0.02mm/s，形成導電聚合物周期性微結構薄膜。如圖2所示，該膜條紋結構周期為20 μ m。實施例2:①在導電玻璃表面制備共軛聚合物膜:采用ITO導電玻璃作為工作電極，Pt片電導電極作本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種在共軛聚合物表面制備條紋結構的方法和設備，是利用脈沖激光在聚合物表面入射光和反射光的干涉引起共軛聚合物表面形成周期性條紋結構，其具體做法是：①在導電玻璃表面用電化學方法制備共軛聚合物薄膜，將聚合物膜放置于帶光學透明窗口的樣品室中，樣品室固定在精密電控三維移動平臺上；②將一束脈沖激光經擴束鏡擴束后，由柱面鏡聚焦，形成線狀光斑聚集在聚合物膜表面；③控制激光器的輸出能量，使相干處的能量密度小于聚合物消融所需的能量密度閾值；④控制平臺移動，在激光相干場作用過的聚合物薄膜表面形成周期性微光柵結構。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉劍，李曉紅，劉子儀，徐丹丹，李園園，朱敏，
申請(專利權)人：西南科技大學，
類型：發明
國別省市：