Способ формирования вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур в многомодовом лазерном пучке (варианты) Российский патент 2024 года по МПК B81C1/00 B82Y30/00 

Известен способ создания металлизированного изображения на листовом неметаллическом материале по его оригинальному виду, с высокой степенью защищенности от подделки /1/. Он заключается в том, что из солевого раствора, нанесённого на листовой неметаллический материал при лазерной обработке импульсным лазерным излучением (ЛИ) в заданных точках формируется изображение из восстановленного металла. К недостаткам способа можно отнести неоднородность толщины раствора химического реагента, необходимость включения в технологический процесс этапа сушки реагента и защиты от растрескивания в случае несмачиваемости реагентом поверхности листового неметаллического материала, что сопровождается искажениями в изображении.

Предлагаемое изобретение отличается от патента РФ /1/ выбором вида листового материала. В патенте под листовым материалом имеется в виду бумага, а в заявляемом изобретении пластик. В отличие от патента РФ /1/ на пластик не производится нанесения раствора солей металлов.

Недостатком способа /1/ является использование в качестве исходных материалов различных растворов солей металлов, к примеру, солей меди, необходимость постоянства толщины слоёв.

В качестве аналога по предлагаемой заявке на изобретение следует рассматривать /2/, где проанализировано взаимодействие ЛИ с образцом из двух слоёв поликарбонатной матрицы. На поверхности верхней закреплена алюминиевая фольга, а между ними размещались рабочие, записывающие и отражающий слои, соединенные оптической связующей массой. Внутренние поверхности поликарбонатных слоёв имели периодический рельеф из дорожек, которые образовывали дифракционные фазовые решётки, нижняя их них лежала на отражающем слое. В работе /2/ также был предложен механизм, объясняющий образование упорядоченных вторичных структур, возникающих в зоне лазерного облучения. По мнению авторов, механизм основан на тепловых фазовых превращениях материалов, входящих в состав образца, обладающих дисперсионными зависимостями. На этом явлении авторам удалось осуществлять качественную запись изображений, вплоть до художественных с развитой цветовой палитрой.

К недостаткам механизма, предложенного в /2/ сложная структура и состав исследованного образца, необходимость поддержания в опытно определённом диапазоне параметров и режимов ЛИ, отсутствие роли и влияния на образование упорядоченных вторичных структур модового состава ЛИ следствием чего стало расхождение в глубине проникновения ЛИ между расчётными и опытно зарегистрированными данными.

Предлагаемое изобретение строится на учёте модового состава используемого ЛИ, для его реализации не требуются образцы с многокомпонентным химическим составом, эффект формирования вискероподобных нанокомпозитных структур достигается в простых конструкциях образцов, состоящих только из материалов для их формирования, дифракционной решётки и отражающего слоя.

В качестве прототипа был выбран: патент США /3/. В этом патенте поверхность материала текстурируется и подвергается лазерной обработке импульсами сверхбыстрого лазера (с длительностью импульсов десятки фс). Лазерная обработка вызывает образование столбчатых структур на обрабатываемой поверхности. Столбчатые структуры повышают поглощение света. Текстурирование и кристаллизация происходит в одной стадии и обеспечивает повышение электропроводности и изменение оптических и электронных свойств материала. Способ может осуществляться в вакууме или в газовой среде. Газовая среда может способствовать текстурированию и/или изменению физических и химических свойств поверхностей. Этот способ может быть использован на различных поверхностях материалов, таких как полупроводники, металлы и их сплавы, керамика, полимеры, стёкла, композиты, а также кристаллические, нанокристаллические, поликристаллические, микрокристаллические и аморфные фазы.

К недостаткам данного способа /3/ следует отнести: необходимость обеспечения специальной газовой или вакуумной среды на поверхности материала; отсутствие учета избирательного влияния модового состава ЛИ на формирование столбчатых структур в зоне лазерной обработки; использование механического привода для сканирования ЛИ, точность позиционирования которого порядка 10 мкм, не менее чем на 2 порядка превышает поперечные размеры формируемых структур, вплоть до десятков нанометров; широкий диапазон времен лазерного отжига: от 1 с до 2 час; требование обработки ЛИ одной точки большим количеством импульсов – до 120; ограниченность температуры отжига до 1500°C; отсутствие описания физического механизма образования структур.

В заявляемом изобретении способ лазерной обработки и формирование вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур отличается тем, что происходит: на открытом воздухе; не требует вакуумного оборудования или оборудования со специальной химической или газовой средой; путём оптического сканирования с высокой точностью позиционирования (~λ/2, где λ – длина волны ЛИ), что приближается к размерам формируемых структур; в режиме одиночных импульсов с длительностью импульса, начиная с 10÷15 нс, в условиях высокоскоростного нагрева до 3000 – 4000°C, когда происходит как плавление, испарение, так и абляция широкого класса материалов, включая тугоплавкие; при наличии дифракционной решётки и многомодовости состава ЛИ и содержит описание физического механизма образования данных структур.

Задачей изобретения является разработка способа получения упорядоченных вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур.

Поставленная задача достигается тем, что, создается образец, включающий металлическую фольгу, дифракционную решётку, полимерную матрицу, отражающий слой и источник лазерного излучения с программно-управляемым прецизионным сканированием лазерного многомодового пучка. Формирование вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур осуществляется путём прецизионного сканирования поверхности образца пучком ЛИ многомодового состава, к примеру, TEM₀₁ (или TEM₁₀).

Описание чертежей

Предлагаемое изобретение проиллюстрировано следующими графическими материалами:

Фиг. 1 – схематичная иллюстрация реализации: источник лазерного излучения (1), лазерное излучение с многомодовым составом (2), типовой аппаратно-программный комплекс (3), металлическая фольга (4), дифракционная решётка (5), полимерный материал (6), отражающий слой (7).

Фиг. 2 – фотоизображение образца на примере лазерной обработки пучком лазерного излучения TEM₀₁ или TEM₁₀: поверхность образца, покрытая фольгой: без – А и после – Б лазерной обработки со следами лазерной обработки ЛИ, В – основание кантилевера атомно-силового микроскопа.

Фиг. 3 – изображение атомно-силовой микроскопии области образования вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур в модах TEM₀₁ или TEM₁₀ лазерного пучка, на вставках показаны увеличенные фрагменты области вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур с увеличением ×10 и ×75.

Фиг. 4 – увеличенный фрагмент атомно-силового изображения (А), профили рельефа в направлении вдоль (Б) и перпендикулярно (В) области формирования вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур.

Фиг. 5. – результат лазерной обработки ЛИ моды TEM₀₀ на образец (Фиг. 1). Сканирующий электронный микроскоп, увеличение ×1500.

Фиг. 6 – оптическая схема образования вискероподобных металл-полимерных структур: 1 – лазерное излучение, 2 – металлическая фольга, 3 – дифракционная решётка, 4 – полимерный материал, 5 – отражающий слой, 5 6 – дифрагировавшие лучи, 7 – область формирования вискероподобных структур, 8 – область испарившейся фольги, 9 – направление распространения давления, 10 – образовавшиеся нанокомпозитные металл-полимерные структуры.

Фиг. 7 – изображение атомно-силовой микроскопии области образования вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур в модах TEM₀₁ или TEM₁₀ лазерного пучка, на вставках показан увеличенный фрагмент области с указанными структурами с увеличением ×10.

Фиг. 8 – увеличенный фрагмент атомно-силового изображения (А), профили рельефа в направлении вдоль (Б) и перпендикулярно (В) области формирования вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур.

Состав используемого оборудования и образца, используемых для реализации способа формирования вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур в многомодовом лазерном пучке проиллюстрирован Фиг. 1. Обработка осуществлялась с использованием источника лазерного излучения (1). Лазерное излучение (2) имело многомодовый состав и с помощью типового аппаратно-программного комплекса (3) прецизионно оптически сканировалось по обрабатываемой поверхности образца. Для лазерной обработки по схеме, показанной на Фиг. 1, был использован специально приготовленный образец, содержащий металлическую фольгу (4), дифракционную решётку с периодом 740 нм (5), полимерный материал (6), отражающий слой (7).

На Фиг. 2 показано оптическое изображение поверхности металлической фольги из Al в областях до – (А) и после – (Б) лазерной обработки серией импульсов от YAG:Nd³⁺ (длина волны 1064 нм, длительность импульсов 10 – 15 нс, с модовым составом TEM₀₁ или TEM₁₀, мощность до 30 Вт). На Фиг. 2 в области (Б) показаны следы лазерной обработки ЛИ, имеющие вид сдвоенных точек (с размерами порядка 200 мкм) и перемычкой между ними ~ 40 мкм, которые соответствовали модам TEM₀₁ или TEM₁₀. Здесь же в области (В) видно основание кантилевера атомно-силового микроскопа, что подтверждает правильность показанных масштабов.

На Фиг. 3 приведено атомно-силовое трехмерное изображение (АСМ) рельефа поверхности образца после лазерной обработки ЛИ в области – 55×75×1 мкм³ между модами TEM₀₁ или TEM₁₀. Видны сформированные вискероподобные нанокомпозитные металл-полимерные структуры (А). Здесь же показаны фрагменты этой области лазерной обработки, увеличенные: в 10 раз – Б и в 75 раз – В.

Фрагмент АСМ изображения размером 5,5×4,8 мкм² из области сформированных вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур представлен на Фиг. 4. – (А) вместе с профилями по высоте (точность измерений 30 пм) вдоль Y – (Б) и X – (В) координат. Каждый профиль имел периодический характер с периодом вдоль координат: Y – 700 и X – 340 нм соответственно.

Результат лазерной обработки с помощью оптоволоконного одномодового лазера (TEM₀₀) с практически той же длиной волны излучения – λ = 1081 нм используемого образца (Фиг. 1) продемонстрирован на Фиг. 5. Изображение получено на сканирующем электронном микроскопе с увеличением ×1500. Отмечено формирование только сквозного отверстия в фольге с диаметром порядка 32 мкм (при диаметре фокусного пятна 5 мкм) м отсутствие структур, аналогичных вискероподобным формируемым при лазерной обработке с модовым составом TEM₀₁ или TEM₁₀.

Оптическая схема формирования вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур в многомодовом лазерном пучке приведена на Фиг. 6 и включает: 1 – лазерное излучение с двумя модами TEM₀₁ или TEM₁₀, 2 и 8 – металлическая фольга с областями без лазерной обработки ЛИ и после обработанная, 3 – дифракционная решётка, 4 – полимерный материал, 5 – отражающий слой, 6 – дифрагировавшие лучи, 7 – область между модами, 9 – направление выброса продуктов расплава и абляции под действием давления ЛИ, по аналогии с представленным изображением на Фиг. 5, 10 –вискероподобные нанокомпозитные металл-полимерные структуры в области интерференционного наложения двух лучей от каждой из мод.

На Фиг. 7 приведено атомно-силовое трехмерное изображение (АСМ) рельефа поверхности образца после лазерной обработки ЛИ в области – 55×65×1 мкм³ между модами TEM₀₁ или TEM₁₀. Видны сформированные вискероподобные нанокомпозитные металл-полимерные структуры (А). Здесь же показан фрагмент этой области лазерной обработки, увеличенный: в 10 раз – Б.

Фрагмент АСМ изображения размером 5,5×5,5 мкм² из области сформированных вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур представлен на Фиг. 8. – (А) вместе с профилем по высоте (точность измерений 30 пм) вдоль Y – (Б) и X – (В) координат. Каждый профиль имел периодический характер с периодом вдоль координат: Y – 1000 и X – 700 нм соответственно.

Способ формирования вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур в многомодовом лазерном пучке заключается в том, что образец, включающий металлическую фольгу, дифракционную решётку, полимерную матрицу, отражающий слой подвергается лазерной обработке ЛИ от источника с программно-управляемым прецизионным сканированием лазерного многомодового пучка. ЛИ при лазерной обработке плавит, испаряет и вызывает абляцию материала фольги, проходит через дифракционные решётки, полимерный материал и, отражаясь, дифрагирует с ЛИ от каждой из мод, взаимно накладываясь в перемычке между ними, и с продуктами выброса расплава и абляции под действием давления ЛИ, и приводит к формированию вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур.

Пример 1

Источником лазерного излучения является импульсно-периодический твердотельный лазер на YAG:Nd³⁺, работающий в импульсно-периодическом режиме (λ = 1064 нм, τ_и = 10–15 нс, средняя мощность 20 Вт, частота следования импульсов 3 кГц). ЛИ имеет поперечные моды типа TEM₀₁ или TEM₁₀. Лазерная обработка осуществлялась при перпендикулярном падении лазерного излучения к поверхности образца (Фиг. 1). Образец содержал дифракционную решётку с периодом 740 нм.

Падение ЛИ с одинаковыми плотностями потока I₀/2 в модах TEM₀₁ или TEM₁₀ на металлическую фольгу из Al сопровождается как отражением, так и поглощением, и вызывает образование следов лазерной обработки, показанных на Фиг. 2, имеющие одинаковые размеры – 200 мкм с перемычкой между ними между ними ~ 40 мкм. Превращение энергии ЛИ каждой из мод в тепловую на внешней поверхности образца с тонкой алюминиевой фольгой сопровождается ее плавлением и испарением, абляцией микро- и наночастиц алюминия как в атмосферу, так и в расплав полимерного слоя и создаёт давление ЛИ в области лазерной обработки, направленное к перемычке между модами (Фиг. 6, 9).

Наблюдалось формирование вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур в многомодовом лазерном пучке строго между двумя модами TEM₀₁ или TEM₁₀ – (Фиг. 3), возникающее в поле дифрагирующих лучей (Фиг. 6, 6).

Из фрагмент АСМ изображения размером 5.5×4.8 мкм² в области сформированных вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур представленном на Фиг. 4 – (А) вместе с профилями по высоте (точность измерений 30 пм) вдоль Y – (Б) и X – (В) координат. Каждый профиль имел периодический характер с периодом вдоль координат: Y – 700 и X – 340 нм соответственно.

Пример 2

Источником лазерного излучения является импульсно-периодический твердотельный лазер на YAG:Nd³⁺, работающий в импульсно-периодическом режиме (λ = 1064 нм, τ_и = 10–15 нс, средняя мощность 15 Вт, частота следования импульсов 3 кГц). ЛИ имеет поперечные моды типа TEM₀₁ или TEM₁₀. Лазерная обработка осуществлялась при перпендикулярном падении лазерного излучения к поверхности образца (Фиг. 1). Образец содержал дифракционную решётку с периодом 740 нм.

В результате на поверхности образца наблюдаются парные кратеры от соответствующих компонент мод TEM₀₁ (или TEM₁₀) с перемычкой между ними. Кратеры имеют размеры чуть меньше 200 мкм, а область перемычки между ними ~50 мкм в ширину.

Наблюдалось формирование вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур в многомодовом лазерном пучке строго между двумя модами TEM₀₁ или TEM₁₀ – (Фиг. 7), возникающее в поле дифрагирующих лучей (Фиг. 6, 6).

Из фрагмент АСМ изображения размером 5.5×5.5 мкм² в области сформированных вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур представленном на Фиг. 8. – (А) вместе с профилями по высоте (точность измерений 30 пм) вдоль Y – (Б) и X – (В) координат. Каждый профиль имел периодический характер с периодом вдоль координат: Y – 1000 и X – 700 нм соответственно.

Источники информации

1. Максимовский С. Н., Радуцкий Г. А. Способ получения металлизированного изображения на листовом материале и устройство для его осуществления. Патент РФ № 2267408.

2. Максимовский С. Н., Ставцев А. Ю., Неделькин В. И. Взаимодействие импульсного лазерного излучения с композитом на основе поликарбоната. Краткие сообщения по физике. 2017, № 12. С. 47–55.

3. Патент США US 8,846,551 B2 от 30.09.2014 Systems and methods of laser texturing of material surfaces and their applications.

Изобретение относится к области нанотехнологий, к модификации упорядоченными нанокомпозитными структурами. Способ формирования вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур в многомодовом лазерном пучке заключается в том, что сфокусированным импульсным лазерным излучением с модами TEM₀₁ или TEM₁₀ путем оптического сканирования с высокой точностью позиционирования ~ λ/2 осуществляют обработку образца, состоящего из металлической фольги, дифракционной решетки, полимерного материала и отражающего слоя, в направлении, перпендикулярном фольге, лазерная обработка осуществляется на открытом воздухе, в режиме одиночных импульсов, лазерное излучение плавит, испаряет и вызывает абляцию материала фольги, проходит через дифракционные решетки, полимерный материал и, отражаясь, дифрагирует с лазерным излучением от каждой из мод, взаимно накладывается в перемычке между модами, и с продуктами выброса расплава и абляции, и формирует заявленные структуры. Технический результат - получение вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур. 2 н.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ формирования вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур в многомодовом лазерном пучке, заключающийся в том, что сфокусированным импульсным лазерным излучением с модами TEM₀₁ или TEM₁₀ путем оптического сканирования с высокой точностью позиционирования ~ λ/2 осуществляют обработку образца, состоящего из металлической фольги, дифракционной решетки, полимерного материала и отражающего слоя, в направлении, перпендикулярном фольге, при этом лазерная обработка осуществляется на воздухе, в режиме одиночных импульсов с длительностью импульса 10-15 нс, при этом лазерное излучение, формирующее условие высокоскоростного нагрева до 3000-4000°C, плавит, испаряет и вызывает абляцию материала фольги, проходит через дифракционные решетки, полимерный материал и, отражаясь, дифрагирует с лазерным излучением от каждой из мод, взаимно накладывается в перемычке между модами, и с продуктами выброса расплава и абляции приводит к формированию вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур.

2. Способ формирования вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур в многомодовом лазерном пучке, заключающийся в том, что сфокусированным импульсным лазерным излучением с модами TEM₀₁ или TEM₁₀ путем оптического сканирования с высокой точностью позиционирования ~ λ/2 осуществляют обработку образца, состоящего из металлической фольги, дифракционной решетки, полимерного материала и отражающего слоя, в направлении, перпендикулярном фольге, при этом лазерная обработка осуществляется на открытом воздухе, в режиме одиночных импульсов, при этом лазерное излучение плавит, испаряет и вызывает абляцию материала фольги, проходит через дифракционные решетки, полимерный материал и, отражаясь, дифрагирует с лазерным излучением от каждой из мод, взаимно накладывается в перемычке между модами, и с продуктами выброса расплава и абляции, и приводит к формированию вискероподобных нанокомпозитных металл-полимерных структур.