双光子聚合飞秒激光单体素加工技术，用于制备连续渐变微纳针形结构

该论文首先简要介绍了TPP飞秒激光直写系统中的基本单元“体素”以及决定体素尺寸的参数。在此基础上简述了常规的TPP层扫描加工微纳针形结构中的问题和不足（如图1所示）。随后，该研究提出以体素为基本单元，同时在加工中引入一维倾角控制体素在样品中的轴向空间位置，最终实现形貌连续渐变的微纳针形结构加工，其原理如图2所示。

图1 飞秒激光双光子加工体素与层扫描加工微纳针形结构形貌

图2 单体素加工原理及结构分析

图3为该研究的实验装置与选用的光刻胶材料。在加工中，首先标定了在不同的激光功率下体素的尺寸大小。随后，设定实验中扫描速度、光刻胶材料的配比不变，选取入瞳处激光功率作为变量，通过不同的功率参数实现不同尺寸微纳针形结构加工，其加工结果如图4所示。微纳针形结构的理论预测的长度和实验所得的实际长度基本一致。

图3 实验装置及样品成分

图4 微纳针形结构加工实验结果及分析

为进一步获取微纳针形结构的尖端部分的形貌，选取3mW、7mW的尖端结构利用原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）分别进行了表征。如图5所示，AFM结果显示针形结构顶端最小高度达到5nm，横向最小线宽为195nm，且微纳针形结构整体连续渐变。

图5 针尖结构AFM影像及其形貌分析

最后，为了分析样品的倾斜角度对微纳针形结构的长度和形貌产生的影响，选取了不同的倾斜角度加工出针形结构，并分析其变化规律，如图6所示，结构的长度随倾角的减小而增加，微纳针形结构形貌变化速率与倾斜角度成正相关，不同倾角下所得结构的实际长度和理论长度的对比图，实验与理论预期高度一致。

图6 微纳针形结构加工实验结果及分析

综上，该研究基于TPP飞秒加工系统的单个体素，通过引入一维角度控制体素的空间位置，成功地在光刻胶中实现了一系列形貌连续渐变的微纳针形结构的加工。在该研究中，加工获得的微纳针形结构顶端最小高度达到5nm，横向最小线宽为195nm，在微纳流体力学、微流控、生物大分子检测、仿生核孔等研究方面具有潜在的应用价值。

论文信息：

DOI：10.3788/gzxb20225110.1014001