[发明专利]利用飞秒激光在材料基体上加工纳米电极的系统和方法

说明书

本发明属于飞秒激光应用技术领域，尤其涉及一种利用飞秒激光在材料基体上加工纳米电极的系统和方法。本发明系统包括长焦高倍物镜、高精度三维运动平台、吹气系统等关键部分。长焦高倍物镜将激光光斑聚焦为亚微米级别，使加工线宽达到百纳米级别，从而实现纳米电极的加工，高精度三维运动平台定位精度高，保证扫线的直线度在纳米尺度的加工中符合加工要求，吹气系统能去除加工过程中产生的材料碎屑，减少材料碎屑的堆积。本发明方法通过飞秒激光直写加工，烧蚀去除扫描区域内的材料，实现在二维材料基体上加工纳米电极。本发明系统和方法，可以灵活、快速、精确地在二维材料基体上加工出多种纳米电极以及纳米电极阵列。

技术领域

本发明属于飞秒激光应用技术领域，尤其涉及一种利用飞秒激光在材料基体上加工纳米电极的系统和方法。

背景技术

微电极的特征尺寸为微米或更小级别，配合不同的电解液，可用于超级电容器、传感器等器件，其中微型叉指电极由两个交叉排列的指状电极组成。微电极有利于提高电路系统的集成度，还能用于制造微型元器件，在化工、生物、环境等领域都有重要应用。微电极性能的影响因素有电极之间的距离、电极面积等。微电极在特征尺度达到纳米级别时称为纳米电极，尺度的缩小有利于进一步提高电极的性能和电路的集成度。

二维材料是指电子仅可在两个维度的纳米尺度上自由运动(平面运动)的材料，只有几个原子层厚度，常见二维材料包括石墨烯、过渡金属硫族化物、过渡金属碳氮化物等。二维材料的能带结构、化学性质、光电学性质等不同于块体材料，在微器件制备领域具有广泛的应用前景。利用光刻、离子束刻蚀、激光加工等方法可以将二维材料加工出电极形状，作为高性能微电极使用。现有的加工方法存在工艺流程复杂、环境条件苛刻或加工精度不高等问题，在二维材料基体上加工纳米电极的方法仍需要进一步研究。

飞秒激光的脉冲时间超短、峰值功率高、热影响区小，适用于多种材料的精确烧蚀去除。利用飞秒激光对二维材料进行直写加工，按照微电极的形状烧蚀去除电极之间的间隙以及微电极的轮廓线，可以直接加工出微电极。相比于其他微纳制造方法，超快激光加工没有真空环境等苛刻的要求，能精确、灵活、快速地加工出各种形状复杂的微电极，同时其加工精度有望达到亚微米甚至纳米级别。

用飞秒激光进行烧蚀去除加工时，会产生材料碎屑，一部分飞溅的材料碎屑会落到已经加工出的烧蚀槽内。由于加工的二维材料具有导电性，烧蚀槽内堆积的材料碎屑会影响微电极的性能，可能导致微电极的两个电极导通或者微电极与周围元件之间导通，从而引起短路故障。

发明内容

本发明的目的在于提出一种利用飞秒激光在材料基体上加工纳米电极的系统和方法，利用系统中的长焦高倍物镜能将激光光斑缩小到亚微米级别，使加工线宽达到百纳米级别，从而实现纳米级尺度微电极的加工。

本发明提出的利用飞秒激光在材料基体上加工纳米电极的系统，该系统包括飞秒激光器、反射镜、光阑、衰减片、电控快门、二向色镜、长焦高倍物镜、三维运动平台、半透半反镜、CCD、照明灯、气泵、吹气口和计算机；飞秒激光器输出的飞秒激光经过反射镜反射后，由光阑调节光斑直径，再由衰减片调节激光功率，通过电控快门后，经过二向色镜反射，由长焦高倍物镜聚焦形成亚微米级别的光斑，照射材料样品；材料样品放在三维运动平台上面，随着平台运动；半透半反镜、CCD和照明灯共同组成成像观测系统，实现对加工过程的实时观测；气泵和吹气口由软管连接，组成吹气系统，实现对加工产生碎屑的实时清理；飞秒激光器、电控快门、高精度三维运动平台、CCD、照明灯和气泵分别通过信号线与计算机连接。

本发明提出的利用飞秒激光在材料基体上加工纳米电极的方法，包括以下步骤：