利用皮秒激光器使钛酸锶表面成为超亲水表面的方法

摘要

利用皮秒激光器使钛酸锶表面成为超亲水表面的方法，属于固体材料表面改性领域，利用皮秒激光器对钛酸锶晶体表面浸润性的改变，使钛酸锶表面具有超亲水特征的方法。本发明的改变钛酸锶表面浸润性的方法是在常温下，使用皮秒激光器，对材料进行刻蚀划线，得到整齐的线阵列结构，增大了材料表面的粗糙度，使材料表面的接触角发生变化，向亲水方向转变，并达到了超亲水。本发明的方法简单，可在开放环境中进行，制备工艺灵活，可控性高。可以通过振镜的扫描间隔，灵活控制划线的间隔，从而控制表面的接触角。制备过程中不用引入其它物质，直接在材料上划线，不影响层下材料性质，也不产生环境污染。

说明书

技术领域

本发明专利属于固体材料表面改性领域，特别涉及利用皮秒激光器对钛酸锶 晶体表面浸润性的改变，使钛酸锶表面接触角成为超亲水表面的方法。

背景技术

钛酸锶是一种钙钛矿型结构晶体，是一种用途广泛的电子功能材料，具有 介电常数高、介电损耗低、热稳定性好等优点,广泛应用于电子、机械和陶瓷 工业。同时,作为一种功能材料,钛酸锶具有禁带宽度高(3.4eV)、光催化 活性优良等特点,并具有独特的电磁性质和氧化还原催化活性,在光催化分解 水制氢、光催化降解有机污染物和光化学电池等光催化领域也得到了广泛的应 用。同时，钛酸锶还作为高温超导基底材料，也被广泛应用。作为基底材料， 表面接触角对在其上生长的薄膜，有着许多的影响。因此，对于钛酸锶表面接 触角的研究，也是很有意义的。

目前对于钛酸锶晶体表面浸润性的改变，主要有以下这两种方法。2000年， Masahiro Miyauchi等人，利用紫外激光辐照钛酸锶，使钛酸锶的接触角减小， 达到在20度左右。2007年，Masahiro Miyauchi又通过化学的方法，在钛酸锶 表面制作了结晶钛酸锶纳米棒薄膜结构，使钛酸锶表面的接触角减小到5度以 下，达到了超亲水。这就是到目前为止，对于钛酸锶晶体这个材料表面接触角 改变研究的状况。可以看出第一种方法通过激光辐照改变接触角简单、方便， 但是，并没有达到超亲水，第二种方法通过在表面制作纳米棒薄膜虽然达到了 超亲水，但这样的制作过程比较复杂，而且形成的是薄膜，破坏了晶体结构， 不再具有钛酸锶单晶的特殊性质。

通过上面两种方法的比较，可以看出改变表面形貌得到超亲水的可能性更大 一些，因此我想到了利用激光来改变钛酸锶表面形貌，从而得到超亲水的钛酸 锶表面。对于利用激光改变表面形貌从而改变接触角的方法，也有不少的报道。 2009年，M.Zhou等人利用飞秒激光在K9玻璃上制作微纳结构，使K9玻璃表 面达到超疏水表面；2012年，Md.ShamimAhsana等人利用飞秒激光在钠钙玻璃 上面划微纳米线，使玻璃的接触角从100度左右达到了150多度，达到了超疏 水。从上面的介绍，可以看出目前对于在表面制作可控微纳结构从而改变接触 角的研究，还集中在飞秒激光，可是飞秒激光器过于昂贵，重复频率低，不适 用于工业生产。而皮秒激光具有超短脉宽，调整好加工工艺参数，其加工效果 与飞秒脉冲激光无异。而且，皮秒激光器重复频率高，加工效率高，激光输出 稳定，加工质量高，激光器价格相对便宜，加工成本低。具有如此多的优点， 因此我选择了利用皮秒激光加工钛酸锶表面，在钛酸锶表面制作微结构，并使 接触角达到超亲水。

发明内容

本发明的目的是利用皮秒激光划线的方法，得到超亲水的表面，制作过程 简单，而且时效性好，不随时间而改变，不破坏晶体结构。

本发明专利解决其技术问题所采用的方案是：利用皮秒激光在清洗干净的 钛酸锶晶体片表面划线，得到超亲水的表面。

划线理论上可以得到任何间隔的线阵列形貌。在钛酸锶晶体片表面划线得 到整齐的线排列形貌，优选线宽50微米、两线间的中心间距小于170微米。

具体操作方法，包括以下步骤：将钛酸锶晶体片，清洗，固定在陶瓷薄片 上，再将样品放置在皮秒激光所在的焦点位置，一开始使光斑在样品外，在不 开光的情况下，运行振镜，观察光斑划线的方向与位置，并调节样品的位置， 使样品的一端与线平行，但使激光的起点与终点不要在样品上，这可以得到完 整的线排列形貌；调节好位置后，打开激光器，等待30秒，使激光器输出达到 要求，这时运行振镜，进行划线得到线排列形貌，在此过程中，激光器的功率 是10瓦、频率是100赫兹、振镜的扫描速率是600-1000米每秒、每条线重复 次数是15-25次。

本发明线宽50微米、两线间的中心间距小于170微米，表面接触角都小于 10度，达到了超亲水表面。改变划线的间隔，表面接触角也随着改变，间隔越 大，接触角越大。

与现有的技术相比，本发明有明显的创新性：利用皮秒激光器对钛酸锶晶体 表面浸润性的改变，使钛酸锶表面具有超亲水特征的方法。本发明的改变钛酸 锶表面浸润性的方法是在常温下，使用皮秒激光器，对材料进行刻蚀划线，得 到整齐的线阵列结构，增大了材料表面的粗糙度，使材料表面的接触角发生变 化，向亲水方向转变，并达到了超亲水。本发明的方法简单，可在开放环境中 进行，制备工艺灵活，可控性高。可以通过振镜的扫描间隔，灵活控制划线的 间隔，从而控制表面的接触角。制备过程中不用引入其它物质，直接在材料上 划线，不影响层下材料性质，也不产生环境污染。

皮秒激光划线钛酸锶可在开放环境中进行，制备工艺灵活，工序简单，可控 性高，可推广性强。可以通过振镜的扫描间隔，灵活控制划线的间隔，从而可 是控制表面的接触角。制备过程中不用引入其它物质，直接在材料上划线，不 影响层下材料性质，也不产生环境污染。

附图说明

图1为划线后的样品表面（间隔为100微米）；

图2：间隔为100微米样品的接触角测量图；

图3：间隔为150微米样品的接触角测量图；

图4：间隔为170微米样品的接触角测量图；

图5：间隔为180微米样品的接触角测量图；

图6：间隔为190微米样品的接触角测量图；

图7：间隔为200微米样品的接触角测量图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细描述，但本发明并不 限于以下实施例。以下实施例的激光器的功率是10瓦、频率是100赫兹、振镜 的扫描速率是800米每秒、每条线重复次数是15次。

实施例1

选一片清洗后的10mm*5mm的太酸锶单晶片，固定在平整的陶瓷片上，放置 在激光器的焦点上。调节振镜参数，使划线间隔为100微米，运行振镜，调节 样品，开光，再运行振镜，得到线宽为50微米，线中心距离为100微米的表面 形貌。

利用接触角测量仪测量此时的接触角，得到结果为1.6度。因此，可以说此 时的表面是超亲水表面。

实施例2

选一片清洗后的10mm*5mm的太酸锶单晶片，固定在平整的陶瓷片上，放置 在激光器的焦点上。调节振镜参数，使划线间隔为150微米，运行振镜，调节 样品，开光，再运行振镜，得到线宽为50微米，线中心距离为150微米的表面 形貌。

利用接触角测量仪测量此时的接触角，得到结果为5.9度，见图1和图2， 因此，可以说此时的表面是超亲水表面。

实施例3

选一片清洗后的10mm*5mm的太酸锶单晶片，固定在平整的陶瓷片上，放置 在激光器的焦点上。调节振镜参数，使划线间隔为170微米，运行振镜，调节 样品，开光，再运行振镜，得到线宽为50微米，线中心距离为170微米的表面 形貌。

利用接触角测量仪测量此时的接触角，得到结果为5.8度。因此，可以说此 时的表面是超亲水表面。

实施例4

选一片清洗后的10mm*5mm的太酸锶单晶片，固定在平整的陶瓷片上，放置 在激光器的焦点上。调节振镜参数，使划线间隔为180微米，运行振镜，调节 样品，开光，再运行振镜，得到线宽为50微米，线中心距离为180微米的表面 形貌。

利用接触角测量仪测量此时的接触角，得到结果为20度左右。

实施例5：

选一片清洗后的10mm*5mm的太酸锶单晶片，固定在平整的陶瓷片上，放置 在激光器的焦点上。调节振镜参数，使划线间隔为190微米，运行振镜，调节 样品，开光，再运行振镜，得到线宽为50微米，线中心距离为190微米的表面 形貌。

利用接触角测量仪测量此时的接触角，得到结果为25度左右。

实施例6

选一片清洗后的10mm*5mm的太酸锶单晶片，固定在平整的陶瓷片上，放置 在激光器的焦点上。调节振镜参数，使划线间隔为200微米，运行振镜，调节 样品，开光，再运行振镜，得到线宽为50微米，线中心距离为200微米的表面 形貌。

利用接触角测量仪测量此时的接触角，得到结果为49度。实施例2-6的接 触角测量图见图3-7。