本发明涉及一种基于激光诱导喷嘴的多维微细结构沉积方法，属于表面微细结构加工、微纳米技术领域。
背景技术：
直写技术是一种新型微加工技术，其加工过程不需模板并可在亚微米至厘米范围实现材料加工成型。墨水直写、喷墨打印和激光直写作为最常用的直写技术，具有强大的二维、三维成型能力和优异的成型精度，可实现金属、陶瓷、聚合物、水凝胶等复杂构型的程序化构筑，被广泛应用于微电子、组织工程、微流控等领域。金属材料的数字打印技术可能是功能性三维打印中缺失的最重要的一个因素，到目前为止这项技术基本上完全依赖于聚合物材料。由聚合物构成的三维结构通常缺乏机械、电气、热学等性能，而这些性能是功能结构和设备装置所必需的。通过传统方法进行金属沉积，不管是蒸发还是电化学沉积，对于快速聚集的多层三维结构来说是远远不够的。到目前为止，金属材料的数字打印技术还是基于金属油墨，纳米或微米级金属颗粒油墨配方，通过印刷烧结的方式获得金属层。一般来说，这种金属油墨和颗料的打印方法用于图形艺术行业，如丝网印刷、喷墨印刷、柔性版印刷、凹版印刷。然而，印刷油墨有一些众所周知的局限性。首先，可供选择的金属种类相当有限，基本局限在银、金、铜。除此之外，所选金属的液体润湿特性限制了打印产品的几何形状，而打印后的热烧结工艺进一步限制了基板材料的选择。
微电路是指具有高密度等效电路元件和(或)部件，并可作为独立件的微电子器件。微机电系统(mems)是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。主要由传感器、作动器(执行器)和微能源三大部分组成。具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产这几个特点。在电子、医学、工业、汽车和航空航天系统方面有着广泛的应用前景。
激光诱导向前转移，也叫激光直写的制造技术，近年来越来越受到关注。其基本原理如图6所示，激光聚焦于靶材(或牺牲层)表面，当激光脉冲能量超过一定阈值，聚焦区域内的一小块材料被抛离靶材，射向基片并沉积于其上。激光诱导向前转移无需制作掩膜，加工周期短，工艺柔性好；沉积精度高，可以达到微米级别，比电铸的精度高一个量级；而且适用的材料更广泛，从金属、半导体、到陶瓷、高分子及至生物材料等都能这种方法进行沉积。
传统的激光沉积技术是将高功率脉冲激光束聚焦于靶体材料表面,使材料熔蚀产生高温高压等离子体，定向膨胀发射在衬底上进行沉积。脉冲激光沉积一般用来制备微纳米薄膜，也有学者采用这种技术制造具有一定微观结构的涂层，用以提升表面的润滑性能。
电化学沉积、特别是精密电铸技术在表面微细结构的制备中得到了非常成功的应用。利用金属离子的阴极沉积效应，结合使用导电芯模或绝缘掩摸等，达到选择性沉积的效果，可在基体表面制备出微凸阵列等微细结构[1]。南京航空航天大学的朱获等提出移动掩膜电铸技术，不断向上移动掩膜，并连续进行可电铸加工，可在金属表面制备出具有高深宽比的微细结构[2]。他们利用这种方法，成功制备了特征尺寸为数百微米，高度达到几个毫米且侧壁陡直的微细结构阵列。精密电铸通过离子沉积的方式制备构件，从原理上非常适于微细制造，而且不存在工具损耗与加工作用力等。
传统的激光沉积技术、激光诱导向前转移的缺点是：这两种技术将高功率脉冲激光束直接聚焦于靶材表面,在激光脉冲持续时间内融化并形成金属熔池，使靶材熔融汽化产生高温高压等离子体，由于等离子体的驱动力直接将液滴喷射出。通常液滴从这样的熔池中喷射具有有限的方向性和稳定性，不能将靶材以设计的角度沉积于接受基片上。
电化学沉积、特别是精密电铸技术的缺点是；如何改善沉积均匀性和铸层形貌等一直是电铸加工的难点；大面积微结构的电铸，首先要制备高精度的掩膜，也影响了这种方法的响应速度。
技术实现要素：
本发明的目的在于提出一种基于激光诱导喷嘴的多维微细结构沉积方法，可在相当大的距离下提供稳定的、高度定向的液滴喷射。
本发明所采用的技术方案：一种基于激光诱导喷嘴的多维微细结构沉积方法，包括如下步骤：
s1：通过磁控溅射、蒸发镀及电镀技术将靶材(4)置于基片(3)上；
s2:调节激光器产生的激光的能量和频率，产生高能脉冲激光(1)；
s3:高能脉冲激光(1)经过凸透镜(2)聚焦于基片(3)与特定参数的靶材(4)之间，使得靶材(4)产生部分液化，形成熔融液态层；
s4:当激光能量大于熔融液态层的击穿阈值时，熔融液态层将会产生高温高压的等离子体，在等离子体对外辐射冲击波的作用下，熔融液态层向前推动；
s5：熔融液态层以激光聚焦光斑为中心，依次形成气态区(6)、熔融区(7)以及固态区(8)；
s6：等离子体继续对外辐射冲击波，提供的驱动力使熔融区(7)融化的物质通过热扩散达到自由表面，在中心局部的熔融区(7)与固体区(8)凝固变形形成一个喷嘴(9)；
s7:经过喷嘴(9)进行液滴(10)喷射，在接收基片(5)得到多维微细结构。
步骤s2所述的基片(3)为玻璃基片。
在步骤s7中，所述接收基片(5)放置于三维微细工作平台(11)，三维微细工作平台(11)的运动由计算机及运动控制系统精确控制，三维微细工作平台(11)的垂直方向的运动可调整基材(5)与激光焦点之间的距离即接收距离，三维微细工作平台(11)做水平方向的二维运动，以扫描叠加的方式，在接收基片(5)上沉积所需的微细结构。
所述的靶材(4)为金属铜，金，银。
所述的靶材(4)的厚度为0.5微米-2微米。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的目的是：(1)本发明的方法形成的喷嘴结构，可以在相当大的距离下提供稳定的、高度定向的液滴喷射，可以制备出高纵横比的三维微细结构，该喷嘴可以应用在喷墨打印和射流加工等技术中，可极大地提高喷射的定向性，从而克服了原有技术的局限性；(2)本发明提出利用激光诱导喷嘴，然后进行材料喷射转移形成三维微细结构；(3)本发明能实现在基片上制备出相同材质的多维的微细结构；(4)本发明能实现制备不同材质的多维微细结构。
附图说明
图1为本发明一种基于激光诱导喷嘴的多维微细结构沉积方法原理图；
图2为本发明熔融液态层中的气态区(6)、熔融区(7)以及固态区(8)示意图；
图3为本发明喷嘴形成过程中固体区(8)、喷嘴(9)和液滴(10)的示意图；
图4为本发明激光诱导沉积铜箔温度场仿真云图；
图5为本发明实施例的单点的沉积实验结果示意图；
图6为本发明激光诱导向前转移的基本原理流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
如图1-3所示，本发明所采用的技术方案：一种基于激光诱导喷嘴的多维微细结构沉积方法，包括如下步骤：
s1：通过磁控溅射、蒸发镀及电镀技术将靶材(4)置于基片(3)上；
s2:调节激光器产生的激光的能量和频率，产生高能脉冲激光(1)；
s3:高能脉冲激光(1)经过凸透镜(2)聚焦于基片(3)与特定参数的靶材(4)之间，使得靶材(4)产生部分液化，形成熔融液态层；
s4:当激光能量大于熔融液态层的击穿阈值时，熔融液态层将会产生高温高压的等离子体，在等离子体对外辐射冲击波的作用下，熔融液态层向前推动；
s5：熔融液态层以激光聚焦光斑为中心，依次形成气态区(6)、熔融区(7)以及固态区(8)；
s6：等离子体继续对外辐射冲击波，提供的驱动力使熔融区(7)融化的物质通过热扩散达到自由表面，在中心局部的熔融区(7)与固体区(8)凝固变形形成一个喷嘴(9)；
s7:经过喷嘴(9)进行液滴(10)喷射，在接收基片(5)得到多维微细结构。
步骤s2所述的基片(3)为玻璃基片。
在步骤s7中，所述接收基片(5)放置于三维微细工作平台(11)，三维微细工作平台(11)的运动由计算机及运动控制系统精确控制，三维微细工作平台(11)的垂直方向的运动可调整基材(5)与激光焦点之间的距离即接收距离，三维微细工作平台(11)做水平方向的二维运动，以扫描叠加的方式，在接收基片(5)上沉积所需的微细结构。
所述的靶材(4)为金属铜，金，银。
所述的靶材(4)的厚度为0.5微米-2微米。
本发明所述喷嘴(9)的形成可以有效的在相当大的距离下提供稳定的、高度定向的液滴(10)喷射，从而制备各种复杂的高纵横比的多维微细结构。
本发明的优点在于：1、在基片上制备出相同材质的多维的微细结构；2、制备不同材质的多维微细结构；3、制备出高纵横比的三维微细结构；4、能在相当大的距离下提供稳定的、高度定向的液滴喷射。理由是：1、本发明对不同种类的靶材材料，利用激光诱导产生的微滴由等离子体的作用将微滴从喷嘴中喷出，经过叠加沉积于接收基材。所以能够制备出不同材质的多维微细结构；2、在特定的激光参数和靶材材料参数下，根据激光诱导向前转移技术，在熔化的靶材前沿通过热扩散到达自由表面，与此同时，在中心熔化区域周围形成一个固体壁形成一个喷嘴，该喷嘴就是本发明所涉及的激光诱导喷嘴，利用该喷嘴可以有效的在基材上制备出复杂的高纵横比的多维微细结构。
关于喷嘴的喷射机制原理，本发明专利提出利用激光诱导喷嘴，进行材料喷射转移形成三维微细结构。
如图4为激光诱导沉积铜箔温度场仿真云图，激光辐照于铜箔的温度场仿真，其中铜的熔点是1083℃，沸点是2567℃。在特定参数条件下，证实了图3中建立的激光诱导喷嘴的原理模型图，即以激光聚焦光斑为中心，铜箔里依次形成气态区、熔融区(液态区)以及固态区，为激光诱导喷嘴的机理研究提供了一定的理论依据。
根据图4激光诱导沉积铜箔温度场仿真云图，本发明专利中喷嘴的形成条件：1)根据温度场仿真要选用稍厚的靶材：2)根据温度场仿真结果，在特定的激光脉冲能量和靶材参数范围内；3)通过激光诱导向前转移技术，在局部熔化的靶材前沿通过热扩散到达自由表面，与此同时，在中心熔化区域凝固变形形成一个喷嘴，该喷嘴就是本发明所涉及的激光诱导喷嘴，利用该喷嘴可以有效的在基材上制备出复杂的高纵横比的多维微细结构，如图2、3所示；可以通过使用不同种类的靶材材料，制备出不同材质的多维微细结构。
实施例：激光诱导沉积铜箔实验
当激光脉冲能量特定值时，沉积的铜箔聚集于一点，形成一个似球状的铜点，尺寸达10μm。图5所示的是该沉积铜点在扫描电子显微镜下的照片，可以看出该沉积的铜箔不再是呈薄膜状，而是近似球状，在一定程度上可以表明沉积下来的铜箔是：靶材铜箔先发生熔融，在冲击波作用下往下沉积，并由于熔融铜自身的表面张力而形成聚集的铜点，铜点沉积于接收层后发生凝固。根据现有的实验现象可以更好的说明本发明可以大大提高沉积精度、方向性、稳定性。该发明方法可以有效用于三维微细结构的沉积。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。