激光诱导转移

1、激光转移打印由于激光具有准直性，高亮度，单色性和相干性等特点，基于激光的微加工技术获得了广泛应用。作为一种非光刻的加工手段，激光诱导转移技术逐渐发展成为制备高精度复杂图案的理想手段。更关键的是，其加工过程能够保证所使用复合材料的性质不受损坏。关于该技术最早报道开始于1986年，Bohandy利用受激准分子激光器成功实现了金属铜的图案化转移。1 .激光转移打印系统的基本构成激光转移打印技术需要一个脉冲激光，来将打印材料局部的从初始基片转移到接收基片上。初始基片和接收基片之间可以保持微小的距离，也可以直接接触，从而实现在接收基片上的图案化直接书写。初始基片通常是由可以透射激光的材料构成，背面包覆打

2、印材料层，也被称作靶子、供体或者功能片。激光脉冲透过透明的功能片，被打印材料层吸收。当入射激光能量超过阀值时，打印材料能够被喷射到接收基片上。激光光束的扫描和调整能力保证三维复杂图案的构成，激光的重复频率则决定了打印速度。市售的全自动移动平台或者检流计扫描振镜保证独立的3D体像素点通过激光的快速移动构成高精度的复杂图案。激光直写所需的基本元件如下图1所示。由于激光转移技术无需真空环境或者超净室，确保了其操作的简便，以及兼容任意一种材料和基片。图1,激光转移打印系统的基本示意图:激光光源与为了对我们后续的工作进行分解，我们可以将该系统拆分成四部分光路，初始基片和接收基片，三维移动平台以及实时监测

3、系统。2 .激光转移打印与喷墨打印的比较凭借制备简便、成本低廉的优势，喷墨打印技术已经广泛应用于各类功能器件的制备。通过控制墨滴的准确定位，喷墨打印能够快速实现大面积复杂图案的直接书写和复合功能材料的图案化。然而受喷孔直径的限制，现有条件下打印图案的最小精度为20止匕外，喷孔引发的阻塞问题也严重影响实际使用效果。与之相比，激光转移打印技术同样能够精确控制液滴的沉积并适用于几乎所有的功能材料及基底。不同的是，激光诱导转移打印没有喷嘴的束缚，带来了多方面的优势。（1）避免了堵塞的问题；（2）打印材料的选择范围从低粘度的墨水拓展到高粘度的糊剂，甚至于固体粉末；（3）由于激光光斑可以通过聚焦达到极小的

4、尺寸，其打印精度可提高至几个pm同时，激光器本身的优势也为激光诱导转移打印带来了其他加工手段，如激光诱导材料性质的改变，原位切除、固化或者烧结等。3 .激光转移打印的基本原理激光诱导液滴喷射的原理图2,激光转移打印的基础是激光诱导形成液滴的喷射过程,其基本模型包括：（1）激光脉冲使初始基片与转移材料的界面加热；（2）加热过程逐渐从分界面传递到转移材料薄膜的表面并使其熔化（图2a）;（3）以此同时，分界面处的转移材料温度达到其沸点（图2b）;（4）转移材料汽化形成的蒸汽压推动其前方熔化的材料脱离基片并喷向接收基片（图2c）。此过程在大气环境下即可实现，无需真空。根据基本模型，实验人员开展了一系列

5、了卓有成效的工作，进一步完善激光诱导转移打印技术，丰富了其在材料微加工，生物材料，组织工程的多方面的应4 .激光转移打印系统4.1 激光光源与光路激光转移打印之所以能够适用于各种材料的一个重要原因在于其加工过程不会对材料本身产生损坏。通过精确控制激光焦斑在作用区域的大小和强度，可以确保加工精度和图案的分辨率。由于我们使用该技术制备微纳结构以及转移生物材料的需要，因此对于激光器本身的选择从以下几部分展开：(a)波长：使用短脉冲激光可以保证加工精度突破衍射极限，而衍射极限跟波长息息相关，因此激光波长越短，能达到的加工精度越高。另一方面，考虑到生物材料在激光加工过程中不能受影响，选择波长较长的红外激

6、光器优先于紫外激光器。(b)脉冲时间，重复频率：脉冲时间与激光平均功率决定了单个脉冲的能量。脉冲时间越长，单个脉冲激光能量越大。重复频率决定了打印速度，重复频率越高，单位时间内打印次数越高。在具体操作过程中，需要接收基片的移动速度配合实现高速打印。(c)光束质量(发散角，空间模式，脉冲稳定性)：该参数保证了打印的稳定性，可重复性以及高分辨。(d)平均功率：激光功率除了要保证打印材料能够被激发，还要保存足够的提高空间以备其他激光用于其他方式的加工，如激光切除，烧结。在整个系统的光路中，主要是实现对激光光源的调制和传输。最重要的部分是激光照射到打印区域前，需要通过光学透镜对激光聚焦。一方面保证激光

7、光斑的大小，焦斑越小，打印精度越高；另一方面需要保证打印过程中焦斑处于打印材料内的统一深度，保证液滴的均匀喷射。4.2 初始基片和接收基片4.2.1 向前转移和向后转移在基本模型中，打印材料直接涂覆在初始基片的背面。而在实际应用过程中，为了更好地保护打印材料和控制液滴的均一性而发展了多种新的打印模式。广义范围上，可分为激光诱导向前转移打印和激光诱导向后转移打印。如图3a所示，向前转移是激光先透过初始基片，打印材料在激光作用下喷射到接收基片上。而向后转移则是激光先透过接收基片，打印材料在激光作用下喷射到接收基片的背面。其中，向前转移的方式得到更广泛的研究和应用。其主要原因在于，向后转移中要求接收

8、基片能够透射激光，而向前转移则没有这个限制。然后，向前转移的打印方式也面临着打印材料制备的困扰，一是粘度较低的打印墨水无法直接给固定在初始基片的背面，二是涂覆在初始基片背面的转移材料要保证几百微米的厚度和良好的平整性。而向后转转移模式提供了弥补上述两个缺陷的解决方法。同时，向后转移过程中打印墨水时在接收基片上的撞击力小于向前转移模式，从而可以使用更小的液滴进行转移。德国汉诺威激光研究所使用向后转移金纳米液滴，最小精度达到300nm图3,激光诱导向前转移和激光诱导向后转移。4.2.2 向前转移的几种改进模式传统的向前转移模型足够应付简单材料的转移，这些材料可以被汽化或者熔化。但是对于部分复杂材料

9、需要考虑保护其性质不受损坏，如氧化，分解以及在此凝结过程中的相变。为了解决这些可能问题，发展出三种有效的解决办法：（1）动态释放层模型；（2）吸收基质辅助模型；（3）流态学系统模型。动态释放层模型：在初始基片和转移材料之间设置一层金属薄层（约100nm厚），其作用是打印过程中激光聚焦到该金属层，有金属汽化产生足够的剪切力来转移打印材料。这样保证了打印过程中，转移材料不被汽化或者熔化，从而避免由于高温引发的质变。基质吸收模型：该模型适用于多组分的粉末材料，将其与有机物或者聚合物混合形成转移材料层均匀涂覆在初始基片背面。在打印过程中，聚合物激光能量并被优先汽化，而转移材料喷射沉积到接收基片表面，并

10、且避免激光的损坏。转移完成后，需要将接收基片进行真空高温处理以去除残留的聚合物。该方法的优势在于：（1）不需要制备100nm的金属薄层；（2）聚合物的汽化能量远小于固体；（3）转移材料无需汽化或者熔化。流体吸收模型：该模型与基质吸收模型相类似，区别在于利用多相多组分的溶液或者凝胶替代固体聚合物。在具体实现过程中，其原理与基本模型类似，由一部分液体汽化形成的气压推动其余组分转移到接收基片上。其优势在于：（1）转移材料不受激光影响；（2）所需能量小；（3）保证了转移过程中材料处于流动状态，当材料被转移到接收基片后可以合并形成均匀且连续的图案。图4,激光诱导向前转移的几种模型。（a）基本模型；（b）

11、动态释放层模型；（c）基质吸收模型；（d）流体吸收模型。4.3 三维移动平台为了实现图案化打印，需要移动激光光束的位置或者移动接收基片与初始基片的相对位置。检流计扫描振镜可以实现激光光束在X轴和Y轴的偏转，使激光聚焦点在转移材料上按所需的要求运动，其速度快的特点能够满足高速打印的需要，但其价格昂贵、扫描范围小的劣势限制了其应用。法国波尔多大学激光辅助组织工程试验组开发了基于扫描振镜的激光转移打印机，具激光扫描速度可达2000mm/s。目前在激光转移打印中得到广泛应用的应用的高速多维移动平台，如Newport的移动平台可以实现300mm/s,移动精度可以达到10nm移动范围达至U160*100*4.8mm=4.4 实时监测系统为了实时监测打印过程，除了需要在激光光路上方设置相机，观测基片上图案的打印效果，还需要在侧面设置相机，实时观测液滴被激发、喷射和接收的整个过程。通过分析两个角度的观测效果，摸索总结激光诱导转移打印的最佳条件。图5,汉诺威激光