清华大学教育研究(清华大学教育研究院)

清华大学教育研究，清华大学教育研究院

清华大学在激光微纳制造研究取得进展，相关研究成果以“Laser Induced Coffee-Ring Structure through Solid-Liquid Transition for Color Printing”为题发表在国际学术期刊《Small》(2023, 19, 2205696)，并被选为期刊封面文章 (front cover)。

清华大学博士生谢家旺为本论文第一作者，闫剑锋副教授为通讯作者，该研究工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。

图1：激光微纳加工的“咖啡圈”以及图案化彩色打印应用

日常生活中，当咖啡滴在桌上，由于物质迁移过程中的“咖啡环效应”，挥发后可形成一个环状“咖啡圈”。本研究用超快激光微纳加工技术结合瞬态固液转变控制，实现了在固体基体超快激光加工出具有微米尺度的“咖啡圈”。利用这种方法在金属铜、铝等金属以及半导体等基体上，可进行更大面积（2英寸以上）的精密图案化激光加工，并实现图案化彩色打印应用，该技术在机械、光学、信息等领域具有应用潜力。

图2：激光微纳加工的固液转变控制示意图。

图3：固液转变控制制备的咖啡环结构。

图4：激光照射下的固液转变过程中的微观结构响应。

图5：基于咖啡环结构图案化彩色打印应用。

综上所述，清华大学研究人员提出了一种新的超快激光微纳加工技术结合瞬态固液转变策略，在金属表面制备独特的咖啡环结构。通过利用初始脉冲激励调制金属从固相到液相的瞬态，随后的超快脉冲诱导反冲压力可以抑制等离子体发射，从而实现咖啡环结构的可控制造。通过泵-探针实验和TTM-MD模拟揭示了咖啡环结构的形成机理。在较短的入射延迟时间(≈1 ~ 10ps)，即晶格加热到液态的短时间内，第二脉冲照射在固体材料上，形成圆形烧蚀坑。在延迟时间≈10-50 ps时，初始脉冲将晶格加热至熔化温度，第二次脉冲照射到液体材料上。第二个脉冲在液体材料中诱导了反冲压力，抑制了熔化材料的去除，致使咖啡环结构的形成。在较大的入射延迟时间(约50 ~ 200 ps)下，圆形烧蚀坑外围熔融物质凝固。当第二次脉冲照射到再凝固的材料上时，咖啡环的外围形成了穗状结构。此外，制备了各种不同结构颜色的图案，实现图案化彩色打印应用。基于对光-材料相互作用的新探索，他们的研究提供了一种新的微纳加工制造技术。

论文链接：(Small,2023, 19, 2205696)

https://doi.org/10.1002/smll.202370032

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