飛秒激光固體材料錶麵微納結構製備及其功能特性 [Modification of Solid Surface Function by Femtosecond Laser Micro and Nanostructuring] 下載 mobi epub pdf 電子書 2025

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陶海岩，宋曉偉，林景全，薛磊 著

圖書標籤:

• 飛秒激光
• 錶麵微納結構
• 材料科學
• 激光加工
• 功能特性
• 薄膜技術
• 納米技術
• 光學工程
• 錶麵工程
• 固體物理

齣版社： 國防工業齣版社

ISBN：9787118112160

版次：1

商品編碼：12144474

包裝：平裝

外文名稱：Modification of Solid Surface Function by Femtosecond Laser Micro and Nanostructuring

開本：32開

齣版時間：2016-12-01

用紙：膠版

內容簡介

　　《飛秒激光固體材料錶麵微納結構製備及其功能特性》介紹瞭微納結構錶麵的應用背景和發展趨勢以及著者近年來在飛秒激光功能微納結構製備領域取得的一些研究成果，其中包括飛秒激光在金屬及矽錶麵微納結構的製備，微納結構錶麵光學及潤濕功能方麵的研究，特彆對飛秒激光等離子細絲麯麵微納製備技術進行瞭闡述，並進一步介紹這些製備技術的應用領域及未來前景。
　　《飛秒激光固體材料錶麵微納結構製備及其功能特性》可供從事與光學學科相關專業的師生以及科研人員學習和參考，也可作為光電信息科學與工程專業、應用物理專業、電子科學與技術專業及機械專業本科生的教材。

內頁插圖

目錄

第1章 緒論
1．1 引言
1．2 自然界中微納結構引起的奇特功能
1．2．1 微納結構導緻的生物體錶麵顔色改變
1．2．2 微納結構的潤濕特性
1．2．3 多尺寸復閤結構引起的多功能特性集成
1．3 錶麵功能微納結構在“綠色技術”中的應用
1．3．1 能源高效率利用和産品壽命延長
1．3．2 環保生産和産品的開發
1．3．3 芯片實驗室
1．3．4 太陽能的利用和開發
1．4 脈衝激光製備功能錶麵的研究進展
1．4．1 脈衝激光誘導固體錶麵亞波長波紋結構
1．4．2 飛秒激光調控固體錶麵光學性能
1．4．3 脈衝激光調控固體材料錶麵潤濕性能
1．4．4固體材料錶麵多功能的集成
1．5 麯麵激光微結構製備的概況

第2章 飛秒激光誘導金屬錶麵亞波長周期性波紋結構
2．1 引言
2．2 實驗裝置和實驗方法
2．3 實驗結果與初步分析
2．4 亞波長形成機理分析與數值計算
2．5 飛秒激光作用下金屬錶麵超快熱力學過程的研究
2．5．1 超快熱力學過程物理模型的建立
2．5．2 數值差分方法
2．5．3 數值模擬結果與討論
2．6 本章小結

第3章 飛秒激光矽錶麵微納結構的製備及其光學特性
3．1 引言
3．2 SF6氣體環境中黑矽的製備研究
3．2．1 實驗過程與製備方法
3．2．2 實驗結果與討論
3．3 飛秒激光直接在大氣環境下製備新型黑矽的實驗研究．
3．3．1 實驗方法與錶徵方法
3．3．2 實驗結果與討論
3．4 本章小結

第4章 飛秒激光金屬錶麵著色技術
4．1 引言
4．2 實驗裝置與方法
4．3 金屬鋁錶麵激光著色及其成色機理
4．4 大麵積NC-LIPSS的飛秒激光製備技術及其光學特性研究
4．5 本章小結

第5章 黑金屬的製備與寬光譜高吸收機理的數值模擬
5．1 引言
5．2 飛秒激光製備寬光譜高吸收黑金屬的實驗研究
5．3 黑金屬吸波模型的建立與計算方法
5．4 亞微米光柵結構陷光特性的研究
5．4．1 光柵寬度和間距不變條件下光柵周期對反射率的影響
5．4．2 光柵寬度、深度不變條件下光柵間距對反射率的影響
5．4．3 光柵間距、深度不變條件下光柵寬度對反射率的影響
5．4．4 微腔效應在光吸收中的作用
5．5 其他亞微米結構陷光特性的研究
5．6 納米顆粒在寬譜陷光中作用的研究
5．6．1 模型介紹與模擬方法
5．6．2 模擬結果與討論
5．7 本章小結

第6章 飛秒激光誘導金屬、半導體微納結構的潤濕特性及其多功能集成
6．1 引言
6．2 飛秒激光製備金屬、矽錶麵“輸水”功能結構
6．2．1 實驗測量方法
6．2．2 實驗結果與討論
6．3 飛秒激光製備金屬錶麵超疏水功能結構的研究
6．3．1 實驗裝置與錶徵方法
6．3．2 實驗結果與討論
6．4 雙特性支持下的多功能錶麵的獲得
6．5 多功能微納結構在太陽能熱電發電的應用研究
6．5．1 實驗裝置與測量方法
6．5．2 實驗結果與討論
6．6 本章小結

第7章麯麵樣品錶麵功能微納結構的飛秒激光製備技術
7．1 引言
7．2 實驗裝置及實驗方法
7．3 實驗結果與討論
7．3．1 多功能典型微納結構從平麵到非平錶麵的拓展
7．3．2 絲不同位置對金屬錶麵微結構的影響
7．3．3 細絲不同入射角度對金屬錶麵微結構的影響
7．3．4 激光不同偏振方嚮和偏振態對金屬錶麵微納結構的影響
7．4 飛秒激光製備柱形微結構形成機理分析與數值模擬
7．4．1 柱狀微結構形成機理分析
7．4．2 選擇性激光燒蝕的數值模型建立
7．4．3 數值計算結果與討論
7．5 本章小結

參考文獻

前言/序言

　　在自然界生物錶麵各種功能性微納結構的啓示下，人們通過應用飛秒激光在金屬、半導體等錶麵製備齣各種形貌類型的微納結構，達到改善材料錶麵性能的目的。固體錶麵新功能的實現及其技術的發展可以有效地為人類的生活和生産服務。例如，可以對這些功能微納結構進行材料錶麵的光學、潤濕等性能的調控。固體錶麵功能性微納結構的製備技術對實現高效太陽能的利用、金屬錶麵潤滑的改善及防腐自清潔、吸波材料等諸多領域的應用有著深遠的意義。
　　本書著重對飛秒激光在金屬、半導體錶麵微納結構的製備及其特性進行係統闡述，主要內容包括：飛秒激光誘導金屬錶麵亞波長周期性波紋結構；飛秒激光矽錶麵微納結構的製備及其光學特性；飛秒激光金屬錶麵著色技術；黑金屬的製備與寬譜高光吸收機理的數值模擬；飛秒激光誘導金屬、半導體微納結構的潤濕特性及其多功能集成；麯麵樣品錶麵功能微納結構的飛秒激光製備技術等。具體安排如下：
　　第1章緒論。介紹自然界中功能微納結構的特點和奇特功能，簡述微納結構在綠色技術發展中的作用和地位，綜述激光製備固體錶麵微結構和功能特性的研究進展。
　　第2章飛秒激光誘導金屬錶麵亞波長周期性波紋結構。給齣利用工作頻率為10Hz飛秒激光在金屬鋁錶麵激光誘導周期波紋結構（LIPSS）的實驗工作結果，進一步，結閤數值模擬針對波紋結構形成機理、周期變小、納米結構形成、周期波紋結構消失等實驗現象和問題展開分析與討論。
　　第3章飛秒激光矽錶麵微納結構的製備及其光學特性。使用重復頻率為10Hz飛秒激光和lkHz飛秒激光分彆進行矽錶麵微納結構的定點製備與掃描大麵積製備的討論。結閤實驗數據對微結構形成機理和光吸收機製進行分析與解釋，以及在大氣環境下新型黑矽的製備和研究。
　　第4章飛秒激光金屬錶麵著色技術。主要描述使用lkHZ飛秒激光在金屬錶麵開展激光著色，同時進行大麵積NC-LIPSS製備的研究。
　　第5章黑金屬的製備與寬譜高光吸收機理的數值模擬。針對應用更加廣泛的黑金屬展開多種典型結構黑金屬的製備研究。通過對反射率和微觀形貌的描述分析瞭光吸收機理。為更好地解釋黑金屬光吸收機製，利用FDTDSolutions數值仿真軟件對黑金屬典型納米結構進行建模模擬，對超寬光譜吸收進行深入討論。
　　第6章為飛秒激光誘導金屬、半導體微納結構的潤濕特性及其多功能集成。為進一步拓展黑金屬的應用，開展具有微米光柵溝槽和微柱典型結構的黑金屬錶麵潤濕特性的研究，討論多種功能集閤的應用意義並開展多功能微納結構增強太陽能熱電發電效率的研究。
　　第7章麯麵樣品錶麵功能微納結構的飛秒激光製備技術。為解決麯麵樣品上激光加工的難題，重點展開飛秒激光等離子細絲在非平麵金屬錶麵微納功能結構的製備研究，並研究實驗參數對錶麵微觀形貌的影響，通過實驗數據提齣微結構形成機理解釋模型，再通過數值模擬對實驗現象進行解釋和討論。
　　該書的讀者對象主要為物理、材料、機械、電子等領域的研究人員和技術人員，同時也可作為相關專業高年級本科生、研究生以及大專院校教師的授課教材。

封麵信息： 書名： 飛秒激光固體材料錶麵微納結構製備及其功能特性 英文書名： Modification of Solid Surface Function by Femtosecond Laser Micro and Nanostructuring 作者： [作者姓名] 齣版社： [齣版社名稱] 齣版日期： [齣版日期] ISBN： [ISBN號] --- 圖書簡介： 本書深入探討瞭飛秒激光技術在固體材料錶麵微納結構製備領域的最新進展及其所帶來的功能特性調控。飛秒激光，因其極短的脈衝寬度和極高的峰值功率，能夠在材料錶麵引發一係列獨特的非綫性相互作用，實現傳統加工方法難以企及的超精細、超快速、低損傷的加工效果。本書旨在為讀者提供一個全麵而深入的視角，理解飛秒激光與材料錶麵相互作用的物理機製，掌握精密微納結構的設計與製備方法，並著重闡述這些結構如何賦予材料全新的、增強的功能。 第一部分：飛秒激光與材料錶麵的相互作用機製 本部分將詳細剖析飛秒激光與固體材料錶麵相互作用的物理本質。我們將從激光與物質相互作用的基本原理齣發，深入闡述飛秒激光的超短脈衝特性如何影響其與材料的能量耦閤過程。例如，與長脈衝激光不同，飛秒激光的能量注入速度遠超電子-晶格弛豫時間，導緻電子的吸能過程以非熱機製為主。我們將詳細介紹等離子體形成、電子-激勵、多光子吸收、雪崩電離等關鍵過程，以及這些過程如何導緻材料的相變、熔化、汽化甚至等離子體膨脹。 此外，我們還將探討飛秒激光在材料錶麵引發的獨特現象，如“冷加工”效應、光學損傷閾值、激光誘導周期性損傷（LIPSS）的形成機製，以及其與激光參數（如波長、脈衝能量、重復頻率、光束質量）和材料性質（如帶隙、摺射率、熱導率）之間的復雜關係。理解這些機製是精確控製微納結構形成、優化加工參數的關鍵。 第二部分：飛秒激光製備微納結構的技術與方法 本部分將係統性地介紹利用飛秒激光製備各種微納結構的工藝技術。我們將首先討論單脈衝和多脈衝激光與材料相互作用的動力學過程，以及如何通過優化激光參數（如脈衝數量、掃描速度、能量密度）來控製加工精度、去除率和錶麵形貌。 接著，我們將詳細介紹幾種主要的飛秒激光微納加工技術： 直接飛秒激光燒蝕（Direct Femtosecond Laser Ablation）： 這是最基本和廣泛應用的加工方法，通過精確控製激光束的掃描軌跡和能量密度，在材料錶麵形成預設的三維微納結構。我們將討論光刻掩模輔助燒蝕、聚焦陣列燒蝕等改進技術，以提高加工效率和復雜性。 飛秒激光誘導周期性損傷（Femtosecond Laser-Induced Periodic Surface Structures, LIPSS）： 這一章節將深入研究LIPSS的形成機理，包括淺層衍射理論、錶麵等離子體理論等，並詳細介紹如何通過調控激光參數（如偏振態、掃描方嚮、能量密度）來控製LIPSS的周期、取嚮和形貌，從而實現錶麵功能的調控。 飛秒激光誘導材料轉移與沉積（Femtosecond Laser-Induced Material Transfer and Deposition）： 我們將探討如何利用飛秒激光的能量在液體或固體基底上實現微納材料的精確轉移和沉積，例如飛秒激光誘導前嚮轉移（LIFT）技術，以及其在微電子、生物傳感器等領域的應用。 飛秒激光輔助微納光刻（Femtosecond Laser-Assisted Micro- and Nanofabrication）： 結閤光刻技術，飛秒激光可以實現更高分辨率的圖案化。我們將介紹飛秒激光在微納光學器件、集成電路等領域的光刻應用。 飛秒激光與化學協同作用（Femtosecond Laser-Assisted Chemical Modification）： 飛秒激光還可以與化學反應協同，例如在溶液中實現選擇性腐蝕或沉積，製備更加復雜的微納結構。 此外，本部分還將涵蓋在不同材料體係（金屬、半導體、陶瓷、聚閤物、復閤材料）中應用飛秒激光製備微納結構的具體案例和挑戰，並討論錶麵粗糙度、形貌均一性、精度控製等關鍵技術問題。 第三部分：飛秒激光製備微納結構的功能特性調控 本部分是本書的核心，將聚焦於飛秒激光製備的微納結構如何賦予固體材料錶麵全新的、增強的功能特性。我們將從多個維度進行闡述： 光學功能調控： 減反射與增透： 通過在材料錶麵製備微納周期結構（如亞波長脊、圓柱陣列），可以有效降低錶麵反射率，實現超寬帶、高效率的減反射功能，應用於太陽能電池、光學鏡頭、顯示器件等。 結構色： 精確控製微納結構的尺寸和周期，使其與可見光發生衍射、乾涉等作用，從而産生無需染料的自然顔色，應用於防僞標識、裝飾材料、傳感器等。 錶麵等離激元共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）： 在金屬錶麵製備納米結構，可以激發齣SPR效應，對外界電磁場和分子變化極其敏感，是構建SPR傳感器的基礎。 光散射與漫反射： 通過控製錶麵粗糙度和微納形貌，可以實現高效的光散射，應用於漫反射材料、光學均勻化等。 激光誘導熒光增強/抑製： 特定微納結構可以改變光場分布，從而增強或抑製材料的熒光發射。 錶麵潤濕性與流體輸運調控： 超疏水/超親水錶麵： 通過在材料錶麵構建微米或納米尺度的粗糙結構，並結閤低錶麵能或高錶麵能材料，可以實現超疏水（接觸角>150°）或超親水（接觸角<10°）錶麵。這些錶麵在自清潔、防水、抗汙、微流控等領域具有廣泛應用。 定嚮液體輸運： 通過設計具有特定溝槽、梯度結構或毛細效應的微納結構，可以實現液體的定嚮、高效輸運，應用於微流控芯片、液體泵、散熱等。 力學與耐磨損性能調控： 減摩與抗磨損： 在錶麵製備特定的微納紋理，如溝槽、凹坑，可以改變摩擦機製，降低摩擦係數，提高耐磨損性能，應用於發動機部件、軸承、模具等。 錶麵硬化： 飛秒激光的能量注入還可以導緻材料錶麵發生相變或生成硬質相，從而提高材料的錶麵硬度和耐腐蝕性。 生物醫學功能調控： 抗菌錶麵： 在材料錶麵製備具有特定形貌的微納結構，如抗菌素載體或能夠機械殺滅細菌的尖銳結構，可以賦予材料良好的抗菌性能。 細胞行為調控： 不同的錶麵微納形貌可以影響細胞的粘附、增殖、分化等行為，為組織工程、生物傳感器等提供瞭新的研究方嚮。 藥物釋放與控製： 將微納結構作為藥物載體，可以實現藥物的精確控製釋放。 其他功能特性： 催化性能增強： 微納結構的增大錶麵積以及可能存在的量子尺寸效應，可以顯著提高材料的催化活性。 儲能性能優化： 在電極材料錶麵製備高比錶麵積的微納結構，有助於提高電池、超級電容器的能量密度和功率密度。 傳感器件： 利用飛秒激光製備的微納結構對外界物理、化學、生物信號的敏感性，可以構建高性能的各類傳感器。 第四部分：應用前景與未來發展趨勢 本部分將對飛秒激光微納結構製備技術在各個領域的應用前景進行展望，並探討該領域的未來發展趨勢。我們將分析當前麵臨的挑戰，如加工效率、成本控製、規模化生産、復雜三維結構的製備等，並提齣可能的解決方案。 未來發展方嚮可能包括： 更高效率、更低成本的飛秒激光器和加工係統： 推動飛秒激光技術從實驗室走嚮工業化應用。 多功能一體化製備： 將微納結構製備與材料錶麵改性、塗層沉積等工藝相結閤，實現功能的一體化。 智能與自適應結構： 探索製備能夠響應外界環境變化的智能微納結構。 生物啓發式與仿生學設計： 從自然界中汲取靈感，設計齣更具功能性的微納結構。 跨學科融閤： 加強物理、化學、材料科學、工程學、生物學等多學科的交叉融閤，催生新的應用領域。 本書內容涵蓋瞭飛秒激光與材料錶麵相互作用的深層機理，詳盡介紹瞭多種微納結構製備技術，並重點闡述瞭這些結構賦予材料的廣泛功能特性，為讀者提供瞭一個關於飛秒激光精密製造及其功能調控的全麵而深入的知識體係。本書適閤從事材料科學、光學工程、機械工程、微納製造、生物醫學工程等領域的研究人員、工程師以及相關專業的研究生閱讀。 ---

评分☆☆☆☆☆

我對這本書的書名“飛秒激光固體材料錶麵微納結構製備及其功能特性”的第一印象是，這很可能是一本深入探討高科技材料加工技術的專業書籍。飛秒激光的超快特性，為我們提供瞭前所未有的精度來操縱物質，尤其是在固體材料的錶麵。我特彆好奇這本書會如何闡述“微納結構製備”這個環節。是會介紹不同類型的飛秒激光加工技術，例如直寫、掩模曝光、或者激光誘導錶麵重構？還是會詳細討論在不同材料體係（如金屬、半導體、絕緣體）上製備特定微納結構的工藝參數和挑戰？此外，“功能特性”的引入，暗示瞭這本書的落腳點在於實際應用，我非常期待書中能夠展示這些微納結構是如何改變材料的宏觀性質的。比如，通過在金屬錶麵形成納米坑窪，可能會顯著提高其催化活性；而在聚閤物錶麵生成微米尺度的凹凸結構，則可能産生仿生學上的超疏水性。這種從微觀結構到宏觀功能的轉化，是材料科學的核心課題，也是本書最吸引我的地方。我希望這本書能夠提供詳細的實驗數據、顯微圖像以及功能測試結果，來佐證其論點。

评分☆☆☆☆☆

從書名來看，這本書似乎深入探討瞭飛秒激光在材料錶麵改性領域的應用，特彆是微納結構的製備。我一直對激光技術在工業製造和科學研究中的發展趨勢感到好奇，而飛秒激光無疑是其中一個極具代錶性的前沿技術。它極短的脈衝持續時間，使得在材料加工過程中能夠實現極高的能量密度，並且對周圍材料的熱影響極小，這對於製備精細的微納結構至關重要。書名中“固體材料錶麵微納結構製備”這一部分，直接點明瞭核心技術內容，我設想書中會詳細介紹飛秒激光與各種固體材料（例如金屬、半導體、陶瓷等）相互作用的物理過程，包括光吸收、等離子體激發、材料燒蝕、重凝等一係列復雜現象。同時，對於如何精確控製激光參數（如脈衝能量、重復頻率、掃描速度、聚焦方式等）來獲得特定形貌和尺寸的微納結構，必然是書中濃墨重彩的部分。我期待書中能夠展示一些典型的微納結構案例，比如周期性的納米光柵、隨機分布的微孔陣列、或者具有特定拓撲結構的錶麵等，並通過大量的實驗數據和顯微圖像來佐證。這種對精細化加工能力的深入剖析，對於理解現代先進製造技術的發展方嚮非常有幫助。

评分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計相當吸引人，那種深邃的藍色背景，搭配上復雜的、仿佛蘊含著某種精妙物理過程的抽象圖案，讓人第一眼就感受到一種科技前沿的神秘感。書名雖然有些專業，但“飛秒激光”、“固體材料”、“微納結構”、“功能特性”這些關鍵詞組閤在一起，勾勒齣瞭一個充滿挑戰和潛力的研究領域。我本身對材料科學有著濃厚的興趣，尤其是在微觀尺度上探索材料的奧秘，這總是能激發起我無限的好奇心。這本書的書名恰恰擊中瞭我的關注點，它暗示著作者在飛秒激光這一高精密技術領域有著深入的研究，並且能夠利用它來精確地操縱固體材料的錶麵，創造齣微小的、甚至納米級彆的結構。這背後蘊含的技術難度和創新性是顯而易見的。我非常期待能夠瞭解飛秒激光是如何做到這一點的，它的作用機理是什麼，以及由此形成的微納結構究竟能帶來哪些意想不到的“功能特性”。是光學性能的改變？電學特性的優化？還是錶麵物理化學性質的革新？這些都讓我充滿瞭遐想。這本書的書名給我一種感覺，它不僅僅是介紹一種技術，更是關於如何通過精細的工程化手段，從根本上改變材料的本質，賦予其新的生命和用途。這種探索未知、創造價值的精神，正是吸引我深入閱讀的強大動力。

评分☆☆☆☆☆

這本書的書名，特彆是“功能特性”這幾個字，讓我感到非常興奮。這意味著它不僅僅是關於技術本身，更在於這項技術所帶來的實際應用價值和潛在突破。飛秒激光製備的微納結構，很有可能在光學、電子、生物醫學、能源等多個領域産生革命性的影響。例如，通過在材料錶麵構建特定的微納結構，可以大幅度提升其光學性能，例如實現超疏水、超親水、抗反射、甚至隱身效應。在電子領域，微納結構可以用於構建高性能的傳感器、新型的電極材料、或者優化器件的散熱性能。在生物醫學方麵，微納結構可能被用於藥物緩釋載體、抗菌錶麵、或者提高細胞與材料的相互作用效率。我預感這本書會提供大量的案例研究，展示飛秒激光如何通過精準調控材料錶麵的形貌，來賦予材料全新的、或者顯著增強的功能。書中或許會涉及一些理論模型的構建，來解釋這些功能特性産生的根本原因，比如量子尺寸效應、錶麵等離子體共振、或者特殊的界麵物理化學性質。這種將基礎研究與實際應用緊密結閤的視角，是科研書籍中最具價值的部分之一。

评分☆☆☆☆☆

這本書的書名，尤其是“飛秒激光”、“固體材料”、“微納結構”這幾個關鍵詞，給我一種非常前沿和精密的科學感。我一直對納米技術的應用非常感興趣，而飛秒激光恰恰是實現納米尺度加工的利器。書名中“製備”這個詞，讓我期待書中會詳細介紹飛秒激光是如何精確地雕刻、蝕刻、或者沉積材料，從而在固體錶麵形成具有特定尺寸和形貌的微納結構。我設想書中會包含大量關於激光與物質相互作用的物理化學原理的闡述，以及各種實驗技術和設備的使用介紹。例如，如何選擇閤適的激光波長、能量密度、脈衝形狀，以及如何控製掃描路徑和曝光時間，來達到理想的結構效果。更讓我好奇的是“功能特性”這一部分。這暗示瞭書中不僅僅是介紹一種加工手段，更是要探討這些精細結構如何賦予材料新的性能。我期待書中能展示一些令人驚嘆的例子，比如如何利用飛秒激光在材料錶麵構建齣能夠高效收集太陽能的微納結構，或者如何製備齣具有超強吸附能力的納米網格。這種將基礎研究與實際應用潛力相結閤的探討，是我認為一本優秀的科技書籍所應具備的。