上海交大材料学院李铸国教授团队在飞秒激光微纳加工领域取得系列进展
日期：
2022-06-15
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激光是20世纪重大发明之一，已被广泛用于材料加工和制备。飞秒激光微纳加工，可“一石二鸟”实现纳米周期结构的制造和纳米材料的合成，上海交通大学材料科学与工程学院李铸国教授、张东石长聘教轨副教授团队近期在该领域取得系列进展，6篇论文发表在领域内高水平期刊，3篇论文被选为封面文章，研究成果被国际权威科学新闻网报道。激光液相纳米材料合成可追溯到1993年，与传统化学纳米材料合成工艺相比，具有工艺简单、灵活性高等优点。近日，该团队与合肥固体物理所梁长浩研究员受邀综述了激光液相烧蚀过渡金属制备纳米材料的研究进展，介绍了该工艺多组分纳米材料的合成能力，对比了不同激光参数、不同液态环境条件下合成材料的特性差异，分析了差异机制。成果以“Diverse nanomaterials synthesized by laser ablation of pure metals in liquids”为题发表在Science China Physics, Mechanics & Astronomy（中科院物理1区，影响因子5.122）杂志上，并被选为封面文章。激光诱导表面周期性结构（LIPSS）是激光微纳加工最具特色的微纳结构，自1965年被发现以来，一直是激光加工领域的研究热点。通常认为LIPSS的方向由光场调控：平行或垂直于激光极化方向。该团队与中山大学姚清河副教授，日本理化学研究所杉冈幸次教授合作揭示了飞秒激光液相加工产生的液体漩涡等复杂流场可打破光场限制对LIPSS结构方向进行调控，诱导圆形和方向交错LIPSS结构的产生，并通过理论仿真对流体场景进行了还原和验证。研究成果以Liquid vortexes and flows induced by femtosecond laser ablation in liquid governing formation of circular and crisscross LIPSS为题发表在Opto-Electronic Advances《光电进展》（中科院物理1区，影响因子9.682）杂志上，并被选为封面文章。论文发表后，被美国科学促进会（AAAS）新闻网EurekAlert！和欧洲科学新闻网AlphaGalileo两大国际权威科学媒体报道。除LIPSS形成新机理，该团队还利用飞秒激光在多种金属材料表面制备了纳米和微纳米复合结构，并揭示了其性能和结构特殊性。首次发现了在金属钛表面制备的Macropore/LIPSS微纳复合结构具有热致反射谱震荡现象：对于同一样品，样品温度越高，反射谱震荡越剧烈，在200℃时尤其明显。Macropore尺寸越大，该现象越明显；未加工的样品无此现象，证明了飞秒激光微纳加工的“奇特能力”。研究成果以Femtosecond Laser Generated Hierarchical Macropore/LIPSS Metasurfaces and Their Ultrabroadband Absorbance, Photothermal Properties, and Thermal-Induced Reflectance Oscillation为题发表在ACS Applied Electronic Materials杂志上（中科院材料3区，影响因子3.314），被选为内封面文章。同时，该团队还首次在金属Sn上大面积制备了方向各异的超波长周期结构（SWPSS）和目前世界最大周期的SWPSS结构，表明了低熔点金属Sn独特的光致熔化和凝固行为；首次利用单束线偏振飞秒激光在钽（Ta）、钼（Mo）和铌（Nb）等金属上一步制备了三角形/菱形LIPSS结构，打破了该种结构制备所需的“单束非线偏振和双脉冲协同作用”光场限制。研究成果以Irregular LIPSS produced on metals by single linearly polarized femtosecond laser为题发表在International Journal of Extreme Manufacturing《极端制造》（制造领域新刊，及时影响因子≈10）杂志上。此外，鉴于飞秒激光对高熔点金属表面微纳加工和纳米材料合成方面的独特优势，该团队提出了气相环境下通过改变纳米材料原位沉积率来调控LIPSS 表面粗糙度的新途径，实现了高熔点金属（W和Mo）LIPSS界面反射特性和彩虹色的调控，发现了自沉积的高密度疏松纳米材料具有卓越的近红外和中红外吸收特性。研究成果以Femtosecond laser induced simultaneous functional nanomaterial synthesis, in situ deposition and hierarchical LIPSS nanostructuring for tunable antireflectance and iridescence applications为题发表在Journal of Materials Science & Technology（中科院材料1区，影响因子8.067）杂志上。虽然高密度纳米材料沉积的LIPSS具有很好的宽光谱吸收特性，但是对于低密度纳米材料沉积的LIPSS 结构，其近红外和中红外吸收率都比较低。针对此问题，该团队采用空气辅助高温煅烧的方法，以低密度纳米材料沉积的LIPSS为模板诱导WO3-x晶体生长，实现了富含氧缺陷纳米复合结构的宽光谱吸收体和光热转化体制备，大幅度提升了LIPSS界面的宽光谱吸收率和光热转化率。成果以Hierarchical WO3–x Ultrabroadband Absorbers and Photothermal Converters Grown from Femtosecond Laser-Induced Periodic Surface Structures为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces（中科院材料2区，影响因子9.229）杂志上。
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