知识储备方面，项目负责人为物理系二年级学生，在过去两年内学习掌握了有关激光光学、编程控制、基础物理等方面的专业知识，学习成绩优异。项目负责人有较强钻研和学习创新精神，加入了指导老师的研究团队，在老师的指导下调研和阅读了有关金属微纳结构加工、激光微纳光刻方面的研究文献，对项目相关的研究有较好的理解和掌握，并在老师的指导下提出这一创新性的研究项目。

2、国家自然科学基金青年基金，61405196，三维金属微纳结构的激光光镊直写研究，2015-01至2017-12，25万元，已结题，主持。

3、中国科学院 “西部之光”计划资助项目，微小金属三维结构的液相激光微3D打印研究，2015-01至2017-12，10万元，已结题，主持。

4、中国科学院重点部署项目课题，ZDRW-KT-2016-1-2，金属材料激光熔丝增材制造关键技术及原理样机研究，2016-1至2019-12，490万元，已结题，参加（子课题负责人）

5、国家自然科学基金委员会，面上项目，51675507，基于激光的增减材复合制造机理及其在微小尺寸复杂内流道结构精密加工中的应用基础研究，2017-1至2020-12，62万元，已结题，参加。

6、中国科学院，重点部署项目，KGZD-EW-T04，金属3D打印高精度制造中的关键科学技术问题研究，2014-5至2017-4，600万元，已结题，参加。

项目指导教师及其研究团队拥有百级超净间，内有可调谐飞秒激光器、飞秒放大器等可用于本项目研究的设备，并已经设计搭建了飞秒激光微纳加工系统、飞秒激光投影加工系统、大面积结构激光直写系统等多套激光加工制造系统，这将为本项目的实施提供重要的实验条件。项目指导教师在项目相关的超快激光多光子还原直写，超快激光光镊直写、超快激光多光子光刻等方面积累了丰富的研究经验，在超快激光多光子还原直写中实现了分辨率为34 nm的银纳米线的直写，这将为本项目研究提供重要经验。项目指导教师研究经费较为充沛，并且在本项目直写过程中将时刻关注项目研究工作，指导项目团队完成项目预期目标。

1、解决超快激光多光子光化学还原直写因逐点扫描直写而造成的加工速度慢、效率低，大面积结构长时间加工容易因条件波动造成加工失败的问题。

2、将超快激光多光子光化学还原与投影加工结合，发展低成本、大面积、高分辨、高效率的超快激光投影多光子光化学还原金属微纳加工技术。

（2）在激光直写金属微纳结构的基础上，利用USAF 1951分辨率板作为投影模板，选择不同物镜，研究不同物镜投影加工金属微纳结构的面积及分辨率，利用扫描电镜、原子力显微镜等对加工结构进行表征；利用线栅掩模版作为投影模板，金属线的投影加工，表征金属线的导电性能。通过调控投影过程中加工参数，实现高分辨、大面积金属微结构的投影加工，并探索利用动态投影技术进行大面积金属结构加工。

一、研究目标：

（1）实现超快激光多光子光化学还原与投影加工结合，解决超快激光多光子光化学还原直写因逐点扫描的加工方式而造成的加工效率低的问题。

（2）利用飞秒激光多光子还原加工在柔性衬底上实现金属布线，并获得不同参数的影响规律。

二、研究过程：

（1）研究计划的执行情况  

   项目提交申请后即开始准备研究工作，立项后立即采购溶液配制所需的化学药品、试剂等开展研究工作。项目对玻璃基底上双光子还原直写规律进行探究；并在柔性衬底上实现了金属银的布线加工，对不同参数影响及相关规律进行了较为系统的研究；将飞秒激光多光子加工与静态掩模投影结合，实现了面积为平方毫米量级银结构的单次投影加工。另外，项目组成员也参与了飞秒激光双光子光刻方面的研究工作。项目较好的执行了研究工作计划，取得了一些创新性的初步成果，并且通过项目研究工作，使得项目团队的研究和创新能力有了较大提高。

（2）研究方法与技术路线

       本项目采用以实验为主并结合必要的理论分析、仿真计算方法开展工作。通过改变扫描速度、单点曝光时间等加工参数进行实验研究柔性衬底上加工银线的基本规律。通过表征测试并结合理论分析研究柔性衬底上银结构的加工分辨率及形貌与加工参数的关系及影响规律；利用USAF 1951分辨率板和线栅板作为投影掩模版，选择不同物镜，研究不同物镜投影加工金属微纳结构的面积及分辨率，利用扫描电镜对加工结构进行表征通过调控投影过程中加工参数，实现高分辨、大面积金属微结构的投影加工。

三、研究成果：

（1）成果内容

 1）激光功率对玻璃衬底上激光直写银线的影响规律

   选取50×，NA=0.7的物镜作为聚焦镜头，采用点扫描的方式对激光功率的影响进行了研究。在加工过程中，设置单点曝光时间为40 ms、点扫描间隔设置为200 nm，激光功率逐渐由7.10 mW增加到11.80 mW，最终加工出来的银线结构如图1(a)所示。在入射激光功率为7.10 mW时，实现了最小线宽为478 nm银线的直写加工。银线宽度小于光斑聚焦的衍射极限，连续且宽度较为均匀。随激光功率逐渐增加到11.80 mW，所直写银线宽度不断增加。但当采用较高的激光功率时，在一定的光照时间内激光提供的能量就越高，在直写过程中观察到产生气泡的现象证明了局部出现过热造成结构熔化，继而结构表面形貌变化较大，线宽波动变大。

   图1(b)为激光功率由7.10 mW逐渐增加大11.80 mW所加工的银线宽度随着激光功率的变化关系。随着激光加工功率的增加，所加工的线宽值增加幅度逐渐减小，这主要是由于银线的直写是依赖前驱体材料对激光的非线性双光子吸收实现的。

图1 (a)激光功率7.1~11.8 mW、单点曝光时间为40 ms、点扫描间隔为200 nm的银线图像；(b)银线宽度与入射激光功率的关系

2）实现PDMS柔性衬底上银微纳结构的直写

选取50×，NA=0.7的物镜作为聚焦镜头，采用线扫描的方式在聚二甲基硅氧烷（PDMS)柔性衬底上加工银线。在加工过程中，线扫描速度设置为10 μm/s，改变加工功率从8.7 mW增加到20.9 mW，扫描次数为1次。最终加工出来的结构如图2(a)所示。直接在无前期预处理的衬底上还原直写得到的是由分散的还原银纳米团簇聚集形成线型区域，在较低激光功率加工出的银线中颗粒点分布稀疏，而随着激光功率的提高，颗粒数量增多且聚集更紧密。当激光功率为20.9 mW时，如图2(b)所示,加工出的银线由连续堆积的纳米颗粒组成，最小特征尺寸为709 nm。但是，加工银线两侧线宽波动较大，这可能是由于加工过程中过高的功率造成的热效应引起的。

图2 (a)激光功率8.7~20.9 mW、线扫描速度为10μm/s加工结构的SEM图像；(b)激光功率为20.9 mW的银线结构细节

为了提高在PDMS上直写银结构的连续性，并改善加工结构的形貌，我们降低了直写过程中所用的激光功率，并采用多次扫描的方式进行银结构加工，以期通过低功率下多次扫描逐渐累积还原生成银纳米颗粒实现连续银线的加工，并减小加工过程中的热效应，实现加工结构的形貌控制。图3(a)为激光功率为8.7 mW，线扫描速度为10 μm/s，通过改变扫描次数加工出的银线结构。随着扫描次数的增加，银纳米团簇积累越密集，形貌轮廓清晰程度也明显提高。在重复扫描次数为7次时，已经可以实现连续银线的加工，所加工的银线的宽度为997 nm。但是，当重复11次扫描加工时出现了因过多热量累积产生过熔现象。由于加工过程中溶液产生气泡及银纳米颗粒熔化形成更大的颗粒，使得加工的银线的表面形貌变得更为粗糙。

图3 (a)激光功率为8.7 mW、线扫描速度为10 μm/s、重复扫描2至11次数加工结构的SEM图像；(b)银线宽度与扫描次数的关系

由图3(b)可知，随扫描次数增加，银线宽度增幅效果明显，且几乎是等比增加。此外， 7，8，9，10次扫描的线宽增长，相比于前期增长的速度较缓，主要是由于加工银线宽度逐渐接近聚焦光斑尺度，而整个聚焦光斑的光场分布仍然遵循高斯分布，随着接近光斑边缘光强也逐渐变弱，因此造成了线宽变化逐渐变缓。

激光直写相比于其他金属微纳结构的加工方式，其优点也在于能进行无掩膜形状调制，实现点、直线、曲线的结构形成，更灵活地应用于的柔性电路板微电路图案设计。图4 (a)和(b)为利用该方法加工的微电路结构。由于加工过程中每个结构仅重复扫描2次，结构连续性仍有待提高，可以通过上述的采用更多次数的扫描来提高结构连续性，获得可以导电的微电路结构。

图4 (a)激光功率为13.1 mW，扫描速度为20 μm/s和10 μm/s，重复两次扫描的SEM电路结构图；(b)扫描速度为15μm/s，激光功率为14.1 mW和16.6 mW，重复两次扫描的SEM电路结构图

3）实现基于固定掩模版的银微纳结构投影加工

利用USAF 1951分辨率版为掩模版，采用飞秒放大器作为光源，在曝光时间为240 s时，功率为430 mW的条件下，投影加工了面积为0.8 mm*0.8 mm的银结构。加工结构的整体如图5(a)所示，不同区域处投影加工结构的完整度存在较大区别，主要是由于在加工过程中激光光强分布不均匀，有些位置的光强达不到发生双光子吸收反应的条件，无法完整呈现出投影模板的透过部分的图案。图5(b)为2-1单元的银结构的放大图，经测量，其最细线宽为2.89 μm。此外，如图5(b)中所示，黄框标示的区域无法加工出形貌完整的银结构,可能是因为经投影系统压缩后该区域掩模板特征尺寸已经超出投影镜头分辨率极限，无法实现预定比例的压缩，造成光强较小，光场分布不均匀。在图5(c)图案的加工过程中，通过CCD观察发现有大量的气泡出现，这是主要是由于该区域曝光面积较大，较大面积的光场分布造成较强的热效应，使得局部区域达到沸点，导致气泡产生并带动还原出的银颗粒烧蚀飞溅，使得银结构不完整。

图5 (a)加工功率为430 mW的银结构；(b) 2-1单元银结构最细线宽；(c)方形区域加工的放大图

4）以第三作者在Optical Materials期刊、Journal of Micro/nanopatterning, Materials, and Metrology期刊各发表一篇论文，目前也正在整理柔性衬底上银结构加工及大面积银结构投影加工方面的研究工作，争取尽快发表。

（2）学术价值、应用价值以及社会影响和效益

本项目在研究飞秒激光还原直写银微纳结构的影响规律基础上，对柔性衬底上银微纳结构的直写及大面积银结构的投影加工进行了研究，实现了PDMS基底上银微纳结构的还原直写和面积为0.8 mm*0.8 mm的银结构的一次投影加工，这些方面的工作具有较好的创新性。加工的银结构在化学生物传感、柔性电子器件、超颖材料等方面具有较好的应用潜力，本工作为相关器件的加工制造提供了一种高效、高分辨的直接制造方法。

4.研究心得

首先，要做好本次研究工作我们需要不断地学习。作为物理学专业的学生，我们从所掌握的光学知识出发，逐渐理解学习飞秒激光加工系统工作原理，并且熟知飞秒脉冲激光的加工优势和双光子还原直写技术的应用场景，对微纳加工技术有了更深入的认识。除了通过阅读文献自主学习外，在结构加工的过程中，我们也向导师、师兄师姐请教仪器操作经验，收获了宝贵的实验室经验，也锻炼了口语表达能力和理解能力。

其次，要勤于思考。只有通过深入思考，才能对一件事情想得更加透彻，将所学的知识与实验操作相结合，持续获得与相关实验现象对应的原理，及新的分析思路。

最后，要善于总结，及时总结。在总结中可以找出存在的问题，才能不断改进，督促自己做到善始善终。对客观实验结果的总结也要有理有据，尊重客观事实以求严谨，不能主观臆测，比如加工结构的宽度随入射激光功率的提高，增加幅度变缓，出现这种明显的趋势主要是由于材料对激光的双光子非线性吸收现象，而非此前主观猜测激光被部分反射的微弱影响。

另外，本次经历不仅让我们拓展眼界和提升技能，而且更重要的是提高了我们的科研素质。和我们平时上的普通物理实验课不同，科研项目对我们来说更为庞大和复杂，整个漫长的过程必须设有长远的规划，并严格细致地去执行，面对不理想的实验结果时，始终持有耐心和热情，才能有条不紊地完成。

  总之，通过这次完整的训练机会，让我们对科研有了更多的参与感，继而也产生更强烈的认同感和归属感。

1.超快激光双光子光化学还原与投影加工的结合

  金属微纳结构的加工传统方式常采用光刻后，再去结合金属蒸镀转移实现，虽然加工精度高，但其程序复杂、效率低。而多光子光化学还原直写可以直接实现金属微纳结构的制造，解决了加工程序复杂、设备成本高、灵活性差的问题。本项目首先在还原直写银线的基础上获得激光加工参数对结构的影响规律，如激光功率、单点曝光时间、扫描速度、扫描次数等。最后将投影加工与多光子还原技术结合实现大面积金属微纳结构的生成。该工作内容也为快速、绿色、高分辨制造金属布线研究提供一定的参考。

2.利用双光子光化学还原直写技术在聚二甲基硅氧烷(PDMS)上加工金属银线结构

可拉伸、柔性电子是2l世纪新兴电子技术，已在软体机器人、生物医疗、可穿戴电子设备等领域得到广泛应用。因此本项目尝试利用飞秒激光双光子直写技术，通过还原溶液中的银离子，在PDMS柔性衬体加工银线，并对加工直写过程的影响因素进行了研究。通过对飞秒激光功率以及线扫描中重复扫描次数和扫描速度的调控，获得了其对银线结构形貌的影响规律。项目中所加工的二维银微电路结构在柔性电子器件及化学生物传感等方面具有一定的应用潜力。

    其次，要勤于思考。只有通过深入思考，才能对一件事情想得更加透彻，将所学的知识与实验操作相结合，持续获得与相关实验现象对应的原理，及新的分析思路。

   最后，要善于总结，及时总结。在总结中可以找出存在的问题，才能不断改进，督促自己做到善始善终。对客观实验结果的总结也要有理有据，尊重客观事实以求严谨，不能主观臆测，比如加工结构的宽度随入射激光功率的提高，增加幅度变缓，出现这种明显的趋势主要原因，是材料对激光的双光子非线性吸收现象，而非此前猜测激光被部分反射的微弱影响。

项目组成员在项目执行过程中，认真设计项目研究方案，积极开展实验研究工作。项目在柔性衬底上银线的直写及调控，大面积银结构投影加工方面取得了较好的创新性成果。项目组成员还参与飞秒激光双光子光刻方面的研究工作，为相关工作突破做出贡献。目前，项目组成员已参与发表SCI论文2篇，竞赛获奖2项，并正在加紧进行柔性衬底银结构直写和大面积银结构投影加工方面工作的整理，以发表论文。项目经费主要用于项目实施所需的关键材料及小型器件的购置，和加工结构的表征测试费用，经费使用合理，为项目的顺利完成提供了一定条件。