Die Tsinghua-Universität widmet sich der Entwicklung von Laserfertigungstechniken zur Vorbereitung von Oberflächen-Mikro-/Nanostrukturen und der Erforschung ihrer funktionellen Anwendungen. Wir haben die Fähigkeit entwickelt, mikro- und nanoskalige Strukturen einzeln und fein zu steuern und zu kontrollieren, wie sie kombiniert werden, um verschiedene Arten von Mehrschichtstrukturen zu bilden.
Die Oberflächenfunktionalisierung mittels Mikro-/Nanostrukturen ist nicht nur ein florierendes, von der Bionik inspiriertes Forschungsgebiet, sondern auch wichtig für eine Vielzahl praktischer Anwendungen. Der Schlüssel zur Realisierung verschiedener Oberflächenfunktionalitäten ist die Herstellung von Oberflächenmikro- und Nanostrukturen mit kontrollierbaren Größen, Schichten und Zusammensetzungen, was die kontinuierliche Weiterentwicklung von Mikro- und Nanofabrikationstechnologien vorantreibt.
Die kontrollierte In-situ-Abscheidung eröffnet neue Möglichkeiten für ultraschnelle Laseroberflächen-Mikro-/Nanostrukturen
Forscher am Laser Materials Processing Research Center der School of Materials Science and Engineering der Tsinghua-Universität haben mehrere Jahre damit verbracht, Laserherstellungstechniken für die Vorbereitung von Oberflächen-Mikro-/Nanostrukturen zu entwickeln und ihre funktionellen Anwendungen zu erforschen. Wir haben die Fähigkeit erlangt, mikrometer- und nanoskalige Merkmale und deren Kombination zur Bildung verschiedener Arten von Mehrschichtstrukturen individuell und fein zu steuern. Zu den von uns untersuchten Funktionalitäten und Anwendungen gehören extreme Benetzbarkeit, Vereisungsschutz, breitbandige Lichtabsorption, Strukturfarbe, solare Wasserverdunstung, thermisches Grenzflächenmanagement, tribologische Eigenschaften, oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie und Photoelektrokatalyse für Energieanwendungen.
Der Einsatz ultraschneller Laser zur besseren Kontrolle der Strukturherstellung und zur Entwicklung flexiblerer Herstellungsmethoden ist einer der Schwerpunkte unserer laufenden Forschung. Zusätzlich zur Steuerung des ultraschnellen Laserablationsprozesses haben wir kürzlich gezeigt, dass die Partikelablagerung nach der ultraschnellen In-situ-Laserablation fester Oberflächen auch kontrolliert und als lokalisierter mikroadditiver Prozess zum Aufbau geschichteter Oberflächenstrukturen verwendet werden kann. Die Bildung von Plasmafahnen ist ein häufiges Phänomen bei der gepulsten Laserablation von Festkörpern.
Produkte aus der Plasmafahne (z. B. Nanopartikel) können zur Verwendung in externen Flüssigkeiten (z. B. im Fall der Laserablation in Flüssigkeiten) oder Substraten (z. B. im Fall der gepulsten Laserabscheidung) gesammelt werden. Im Gegensatz dazu werden bei der ultraschnellen Laseroberflächenstrukturierung einige Nanopartikel in der Plasmafahne in situ zurück auf die bestrahlte Oberfläche abgeschieden.
Für bestimmte Anwendungen spielen die in situ abgeschiedenen Strukturmerkmale eine wichtige Rolle bei der Verbesserung von Oberflächeneigenschaften wie Lichtabsorption, Empfindlichkeit und Energieumwandlung. Ob und wie der In-situ-Ablagerungsprozess kontrolliert werden kann, bleibt jedoch eine offene Frage.
Unsere jüngsten Studien haben die Möglichkeit gezeigt, den In-situ-Abscheidungsprozess zu kontrollieren, z. B. durch den Aufbau festungsartiger Strukturen auf Mikrokegel-Arrays, anstatt nur zufällig verteilte Nanopartikel zu produzieren. Die aufgedeckten Mechanismen der Laser-Materie-Wechselwirkungen könnten zukünftiges Forschungsinteresse an der Erforschung neuer Möglichkeiten der Verwendung ultraschneller Laser zur Herstellung funktionaler Oberflächen-Mikro-/Nanostrukturen wecken.
