激光直写制备柔性微纳结构与器件研究

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1、中文图书分类号：TN205密级：公开UDC：621.3学校代码：10005博士学位论文DOCTORALDISSERTATION论文题目：激光直写制备柔性微纳结构与器件研究论文作者：周伟平学科：光学工程指导教师：胡安明教授论文提交日期：2017年5月UDC：621.3学校代码：10005中文图书分类号：TN205学号：B201313016密级：公开北京工业大学工学博士学位论文题目：激光直写制备柔性微纳结构与器件研究英文题目：FABRICATIONOFFLEXIBLEMICRO/NANO-STRUCTURESANDDEVICESBYLASERDIRECTWRITING论文作者：周伟平学科专业：光

2、学工程研究方向：激光微纳制造申请学位：工学博士指导教师：胡安明教授所在单位：激光工程研究院答辩日期：2017年5月授予学位单位：北京工业大学独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：周伟平日期：2017年5月27日关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论

3、文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：周伟平日期：2017年5月27日导师签名：胡安明日期：2017年5月27日摘要摘要微纳加工与制造技术已成为当代重要科技攻关项目之一。伴随微制造领域向柔性化、定制化、集成化、智能化发展的潮流，柔性传感器件在医学和生活娱乐等领域的发展方向具有很大应用潜力，特别是在健康监测及可穿戴性电子器件领域。柔性电子的发展与应用将是人们未来生命健康监测与治疗的主流方向之一。对于柔性传感器件领域来说，产品及相应的制备工艺比较丰富，但目前主要采用传统的加工方式不能同

4、时满足高灵活性、高精度等要求。本课题提出利用激光直写制备柔性传感器件。本课题将利用激光直写技术与其他化学物理方法相结合，在透明柔性塑料或纸基体上制备微纳结构与传感器件。实验设备搭建前期首先对银纳米材料制备及其性能进行了研究。我们选用化学合成方法制备了银纳米颗粒溶液。在实验中发现了咖啡环效应。通过小角度倾斜的方法能控制咖啡环效应。利用咖啡环效应诱导的纳米材料密排布，进而制备了表面粗糙度达到纳米级的高致密银纳米颗粒薄膜。并对银纳米颗粒薄膜表面拉曼光谱性能用于药物的检测进行了研究。同时通过控制咖啡环效应制备了有序的银纳米线薄膜。对有序银纳米线薄膜的各向异性进行了研究。得出激光偏振方向和银纳米线在不

5、同角度下拉曼增强呈规律性变化，当激光偏振方向与纳米线方向垂直辐照时所获得的表面增强拉曼信号最强，当偏振方向与之平行时最弱。选用激光辐照对于银纳米材料进行了辐照处理。通过激光辐照处理后生成纳米颗粒的尺寸约133纳米，同时中间产生的颈部宽度约为148纳米。而这些尺寸刚好在532纳米波长激发下可以得到很显著的增强效果，进而实现更高灵敏的表面增强拉曼测量。研究了一种利用405纳米连续激光在PC柔性基体上快速制备高粘结强度的银纳米结构电极的方法。首先配制了一种新型的用于激光还原制备银纳米材料的银浆。该银浆主要选定了硝酸银、柠檬酸三钠和PVP作为主要反应物。其中质量比为5%的PVP加入对银电极的制备起到

6、了很重要的作用。首先PVP的加入能提高银浆对405纳米波长激光的吸收率。同时能改善银浆在基体上的亲水性以及与基体的粘附性能。本研究中首次采用激光从柔性基体背面入射到银浆与基体界面处。激光直写还原银纳米材料的同时能作用到银浆表面和基体表面。在激光直写还原银电极的同时能对基体形成微米数量级的粗糙结构。经过该处理能显著增加电极与基体的粘附强度。通过这些改善所制备的银电极具有很高的粘附强度。3M胶带进行五十次以上的粘附力测试也没有脱落现象。所制备的电极可用于柔性电子器件，如柔性显示器件等。-I-北京工业大学工学博士学位论文在以上的研究基础上，进一步研究了利用激光直写制备柔性防水微纳力敏传感器件。首先

7、将PDMS184与固化剂以质量比10:1的比例混合后利用抽真空方式排除混合液中的气泡。然后利用涂布机制备所需的PDMS柔性基体。将硝酸银、柠檬酸三钠和PVP制备的银浆溶液旋涂于基体上。利用405纳米激光器直写制备银微纳结构。清洗未反应的银浆后在所制备的银微纳结构上再制备一层PDMS薄膜，将银微纳结构包覆于其中形成防水结构力敏传感器。利用该力敏传感器能实现手指弯曲伸缩的检测。该力敏传感器响应时间为0.3秒，恢复