激光融合制造：柔性微納傳感“多面手”

本文聚焦激光融合制造，從全局視角討論該工藝在柔性微納傳感器制造中的應(yīng)用形式，依次介紹了激光增材、等材與減材三種制造方法，并重點(diǎn)分析加工機(jī)理與典型目標(biāo)材料，突出了激光融合制造在柔性微納傳感中的技術(shù)優(yōu)勢。之后具體展示了激光融合制造在柔性物理、化學(xué)、電生理與多模態(tài)微納傳感器中的典型應(yīng)用，并對相關(guān)研究及最新進(jìn)展進(jìn)行討論。最后，針對該領(lǐng)域現(xiàn)存技術(shù)挑戰(zhàn)與未來發(fā)展趨勢進(jìn)行總結(jié)與展望。

二、激光增材制造

激光增材制造，即利用激光作為局部能量源，將納米前驅(qū)體材料加熱熔融（還原），并經(jīng)燒結(jié)、累加、逐層堆積形成功能結(jié)構(gòu)。迄今為止，基于激光加工的增材制造技術(shù)已與各類納米材料實(shí)現(xiàn)良好兼容，如納米顆粒（NP）、納米線（NW）、納米管（NT）、納米球等（圖2）。 金屬納米油墨作為典型的納米前驅(qū)體之一，主要包括以下幾類：1）單元素金屬納米油墨：如Au、Ag、Cu、Zn納米油墨等；2）金屬氧化物納米油墨：如CuO、NiO、Cu2O、ZnO納米油墨等；3）核殼雙金屬納米油墨；如Cu-Ag納米油墨等；4）合金金屬納米油墨：如Cu-Ni合金納米油墨、Au-Ag合金納米油墨、液態(tài)金屬合金納米油墨等。

圖2 激光增材制造技術(shù)特點(diǎn)及典型目標(biāo)材料

三、激光等材制造

激光等材制造，即通過激光誘導(dǎo)界面反應(yīng)，使材料在基本保持初始體量的同時(shí)改變其本征組織結(jié)構(gòu)和物化特性。目前，基于激光加工的等材制造正廣泛用于誘導(dǎo)改性碳基前驅(qū)體（如激光誘導(dǎo)石墨烯-LIG等），其生成產(chǎn)物具有良好力學(xué)性能與優(yōu)異電化學(xué)特性，是柔性功能器件中最有前途的材料之一。而且，激光誘導(dǎo)碳化產(chǎn)物可轉(zhuǎn)印至彈性聚合物（PDMS、Ecoflex、SEBS等），拓展了該技術(shù)的應(yīng)用場景（圖3）。 作為一種典型的等材制造方法，激光誘導(dǎo)碳基前驅(qū)體生成石墨烯及其衍生物將LIG合成和圖案化一步融合，目前已拓展至包括含碳的多種聚合物（如PI、PEI、PAI、PEEK、PPS、PSU、PES、PPSU、PDMS、PR、PTFE等）、布料、紙張、食物、木材、樹葉等前驅(qū)體中。

圖3 激光等材制造技術(shù)特點(diǎn)及典型目標(biāo)材料

四、激光減材制造

激光減材制造，即基于激光精確可控的熱效應(yīng)以及直接能量去除機(jī)制對材料進(jìn)行熱解、燒蝕、圖案化刻寫與微納結(jié)構(gòu)制造。其中，激光刻寫/切割常用于獲得特定輪廓形狀圖案和小尺寸、微型化器件；激光燒蝕/熱解可實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量去除材料，促進(jìn)精密微加工；激光微納織構(gòu)可跨尺度形成多級復(fù)合結(jié)構(gòu)，并動(dòng)態(tài)調(diào)控材料的界面性能，如激光誘導(dǎo)周期表面結(jié)構(gòu)（LIPSS技術(shù)）相較于燒蝕工藝可以生成更為復(fù)雜的表面納米結(jié)構(gòu)。基于激光加工的減材制造現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于增強(qiáng)壓力傳感器性能、實(shí)現(xiàn)高分辨互聯(lián)電路、構(gòu)建微流控系統(tǒng)等功能元件（圖4）。

圖4 激光減材制造技術(shù)特點(diǎn)及典型目標(biāo)材料

五、總結(jié)與展望

激光融合制造涵蓋了光學(xué)工程、材料科學(xué)、機(jī)械制造等多學(xué)科內(nèi)容，以多脈沖、多波長激光為工具，充分集成增材、等材、減材多形式加工特點(diǎn)，將敏感單元的高效沉積、材料介質(zhì)的誘導(dǎo)改性與微納結(jié)構(gòu)的精密制造融為一體，為實(shí)現(xiàn)高性能柔性微納傳感器提供了有效解決方案。 雖然激光融合制造正在不斷豐富和拓寬柔性微納傳感器的加工渠道，然而面向?qū)嶋H應(yīng)用場景，其發(fā)展仍存在許多挑戰(zhàn)，包括制造精度、制造效率、加工材料多樣性等?？傊す馊诤现圃鞂⒓铀偃嵝晕⒓{傳感器的創(chuàng)新與迭代，開辟柔性電子制造新路徑，拓展激光加工應(yīng)用新場景。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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