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利用激光照射掺杂金属络合物的非金属材料,可使被照射过的区域经过敏化处理后,进行化学镀铜、镀镍等,进而形成导电通道,呈现出金属导体的性质,而没有经过激光照射的区域仍然保持原有的非金属特性。实验采用NdYAG激光器,经声光调制后,通过动态聚焦系统和二维振镜实现三维扫描,并经过f-theta透镜聚焦到金属络合物表面。通过调制频率1,3,10和20 kHz的激光调制进行对比实验,实现镀铜层厚度11 μm以上,镀镍层厚度2 μm以上,在同一种材料表面实现了金属和非金属特性共存的状态。
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第
37
卷
第
12
期
中
国
激
光
Vol.37
,
No.12
2010
年
12
月
犆犎犐犖犈犛犈犑犗犝犚犖犃犔犗犉犔犃犛犈犚犛
犇犲犮犲犿犫犲狉
,
2010
文章编号:
02587025
(
2010
)
12315507
金属络合物激光物化改性研究
王
萌
刘铁根
王
博
霍晓飞
许宝忠
张国顺
(天津大学精仪学院光电信息技术科学教育部重点实验室,天津
300072
)
摘要
利用激光照射掺杂金属络合物的 非 金 属材 料,可 使 被 照 射过 的 区 域 经过 敏 化 处 理后,进 行化 学 镀 铜、镀 镍
等,进而形成导电通道,呈现出金属导体的性质,而没有经过激光照射的区域仍然 保持 原有的 非金 属特性。 实验采
用
Nd∶YAG
激光器,经声光调制后,通过动态聚焦系统和二 维振 镜实现 三维 扫 描,并 经过
ftheta
透 镜聚 焦到 金 属
络合物表面。通过调制频率
1
,
3
,
10
和
20kHz
的激光调制进 行对 比实验,实 现镀 铜层 厚 度
11
μ
m
以 上,镀 镍层 厚
度
2
μ
m
以上,在同一种材料表面实现了金属和非金属特性共存的状态。
关键词
激光技术;激光物化改性;激光三维扫描;金属络合物;动态聚焦系统
中图分类号
TN249
;
TG665
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
/
犆犑犔20103712.3155
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,
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)
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收稿日期:
20100204
;收到修改稿日期:
20100430
基金项目:国家
973
计划(
2010CB327800
)资助课题。
作者简介:王
萌(
1980
—),男,博士研究生,主要从事激光应用技术方面的研究。
Email
:
wan
g
men
g
_
t
j
u
@
126.com
导师简介:刘铁根(
1955
—),男,教授,博士生导师,主要从事光纤传感技术、嵌入式图像处理和激光应用技 术等 方面的 研
究。
Email
:
t
g
liu
@
t
j
u.edu.cn
1
引
言
现代激光制造技术中,激光与物质的相互作用,
大部分利用高功率 密度的激 光 照射,使得材料 表 面
及内部融化或气化
,从而完成切割、焊接和打标等工
艺过程
[
1
]
。传统意 义上的激 光 表面改性,往 往 也 是
利用激光照射后,快速加热、极速冷却 的 特性,通过
金相结构的改变实现表面硬化
,提高耐磨损、抗腐蚀
等表面性能
[
2
,
3
]
。但是 激光与物 质 相互作用 时 的化
学变化以及物理、化学变化的相互影响,却相对较少
被人们所研究和利 用
,此 研究领域 无 论是基础 研 究
还是实际应用,都具 有创新性 和 很强的多 学 科交叉
特性。
激光照射金属络合物表面时会产生一系列的化
学和物理变化,使得 同一表面 的 不同位置 呈 现出不
同特性,进而衍 生 出很多应 用。 经过激 光 照射的某
些金属络合物
,可大 幅度提高 其 参与电子 转 移和输
送的能力,在改善材 料的功能 方 面具有着 巨 大的潜
力
[
4
,
5
]
。德国
LPKF
实 验 室
[
6
,
7
]
曾 利 用 紫 外 波 段 的
中
国
激
光
37
卷
248nm
准分子激光器通过掩模照射,对金属络合物
进行过细微导体制 作实验,但 其 他波长的 激 光与金
属络合物的反应原理及应用在国内外均未见报道。
本文利用红外波段
1064nm
的
Nd∶YAG
激光
器,经过声光调制后,照射铜 铬络合物,通过改变其
表面分子构成及粗 糙度
,经 敏化处理 后 可在激光 照
射的区域进行选 择 性镀铜、镀 镍 等。通过 分 析和实
验对比,找到了比较合适的激光参数。
2
实验材料、设备及方法
金属络合物是由一个金属离子(或原子)和围绕
在它周围的几个阴 离子或分 子 所组成的,其相互作
用通过各种强度较弱 的 结合力,如 氢 键、配 位键、电
荷转移相互作用以及疏水相互作用等,具有多重、动
态特质
[
8
]
。其 分 子 环 境 控 制 着 电 子 的 排 布 和 移 动
性,而分子环境的改 变则需要 通 过外部的 能 量注入
加以实现,如热能、电能和光能等。利用汇聚的激光
焦点在金属络合物 表面上进 行 移动,可使照射 表 面
的分子环境改变,如阴离子表面活性剂的增敏机理、
单核和多核络合物 的互变等,从而实现 在 指定区域
进行改性
[
9
~
11
]
。由于铜 铬络合 物 在进行激 光 照射
的裂解反应时所需 的能量较 低,因 此 选用此种 络 合
物作为表面改性 实验的材 料。 为了获 取 铜 铬络合
物,可先将其 化 合 物 与 有 机 络 合 剂 反 应 后,结 晶 提
取。该有机络合剂 一般具有 高 稳定多功 能,仅 含 有
多个配位原子或者 含有离子 化 基的螯合 剂
,采 用含
位阻芳香族化合物和金属络合基团的分子结合物构
成,可优先选用的分子结构
[
6
]
,如图
1
所示。
图
1
分子结构示意图
Fi
g
.1 Schematicdia
g
ramofmolecularstructure
金属络合物溶解后涂覆在热稳定性较高且具有
较强吸附能力的多 孔基材表 面
,一 般由硅酸 盐 或其
衍生物构成
,多为热塑性或硬塑性材料
[
6
]
。
加工用激光器种类繁多,波长范围涵盖从紫外、
可见光到红外,功率从毫瓦 级到万瓦级
[
12
]
。为 了有
效地改变金属络合 物的分子 环 境,需 要使其结 合 部
位吸收能量产生分 子振动,进 而 达到物化 改 性的效
果,因此需要对 其 吸收波长 进 行分析与 选 择。由经
典力学及量子力学推导出的双原子分子振动波长公
式为
[
13
]
λ
=
2
π
犮
μ
/
槡
犽
, (
1
)
式中
λ
为波长,
犮
为光速,
犽
为健力常数,
μ
为折合质
量。由双原子分子非谐振子模型可以得到非谐振子
能级
犈
为
[
13
]
犈
=
犺犮
λ
犞
+
( )
1
2
-
犡
犞
+
( )
1
2
[ ]
2
, (
2
)
式中
犈
为能级能量值,
犺
为普朗克常量,
犞
为振动量
子数,其 值为
0
,
1
,
2
,
3
,…,
犡
为非谐常 数。 通 过 对
不同波长能级的计 算分析,采 用 红外波长 的 激光照
射样品时,辐射不足以引起分子中电子能级的跃迁,
但可以被分子吸收引起振动和转动能级的跃迁。当
激光波 长处于远红 外区(波长
25
~
1000
μ
m
),照 射
后主要会引起骨架振动、转动,中红外区(波长
2.5
~
25
μ
m
)主要引起化学键振动 的基频能级 跃迁,而近
红外区(波长
0.75
~
2.5
μ
m
)的能级跃 迁 类型主要
为分子化学键振动 的倍频和 组 合频,会产生基 频 吸
收
2000cm
-1
以上的二级 倍频以及
1330cm
-1
以上
的三级倍频或合频。此区域主要是含氢基团
C-H
,
O-H
和
N-H
等伸缩振动的二级倍频吸收谱带以
及这些基团的伸缩 振动与摇 摆 振动的合 频 吸收,这
些基团 的 振 动,正 是 改 变 络 合 物 分 子 环 境 所 必 需
的
[
14
~
16
]
。
由此选择波长处 于 近红外区 的
Nd∶YAG
激光
器进行实验,连续激 光器和脉 冲 激光器的 峰 值功率
太低,无法瞬间达到所需阈值,而长时间照射又会使
得络合物的基材融 化变形,因 此 需要通过 声 光调制
提 高 其 峰 值 功 率,再 通 过 二 维 振 镜 进 行 反 射 扫
描
[
17
]
。加工材料表面为三维曲 面,因 此在振镜前 使
用动态聚焦镜进行 激光焦点 的 高低调节,这样就可
以实现三维曲面的动态扫描。整个加工系统的构成
如图
2
所示,利用扩 束镜压缩 发 散角从而 获 得尺寸
更小的激光焦点,而
ftheta
透镜起到平场聚焦的作
用
[
18
,
19
]
。
当金 属络合物被 高峰值功率 的激光照射 时,其
反应过程为
MR
+
犺狏
→
M
+
R
, (
3
)
式中
M
代表络合物的中心金属元素,
R
为有机取代
基,
狏
为光子频率。经 过 激 光 照 射 金 属 络 合 物 被 分
解成金属原子以及有机配位体的碎片,但是铜、铬等
金属元素很难以单 质形态存 在,一 般 都会以氧 化 物
的形式附着 于 表 面,比 如
CuCrO
2
。 其 中
Cu
为
+1
价,
Cr
为
+3
价,还可以继 续 释放电子,达到更稳 定
的状态,因此该 种 氧化物仍 然 存在还原 性。 如果长
时间暴露在空气中,很容易与氧气再次结合,形成惰
性的 金 属 氧 化 物
。虽 然 经 过 激 光 照 射 的 塑 料 的 气
6513
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