一种光敏复合材料、和一种上转换纳米粒子辅助的近红外激光三维直写方法及装置

本发明属于光响应材料化学和光学领域，尤其涉及一种光敏复合材料、和一种上转换纳米粒子辅助的近红外激光三维直写方法及装置。

背景技术：

1、随着科学技术的迅速发展，社会诸多行业研发生产和过程中对于精密三维微纳结构的需求日益显著，涵盖了光学器件、生物医学、纳米电子学等多个领域。在这种背景下，双光子直写技术因其使用近红外光的穿透深度优势以及其出色的非线性光学性能，被应用于三维微纳结构制造。通过近红外激光直接写入光敏材料，在激光聚焦点处发生局部光反应并随着聚焦点的三维移动，可以实现对各种形状和结构的精确控制，从而制造出任意的复杂三维微结构。

2、然而，传统的双光子直写技术也面临着一些挑战，其中包括需要使用昂贵的飞秒激光器，以及大多数光敏分子的双光子吸收截面较小导致的效率低下等；这些因素限制了双光子直写技术在广泛应用方面的发展。因此，寻找一种更经济、更高效的近红外光直写技术成为一个挑战。

技术实现思路

1、为解决上述背景技术中提出的问题，本发明提供一种光敏复合材料、上转换纳米粒子辅助的近红外激光三维直写方法及装置，基于本发明所提供的光敏复合材料，可在无需使用飞秒激光器的情况下通过近红外光直写产生微纳结构，并且具有较高的效率。

2、本发明提供一种光敏复合材料，其由光敏分子、上转换纳米粒子和聚合物载体物质在溶剂中混合，经成型制得；所述光敏分子为取代或未取代的螺吡喃、取代或未取代的偶氮苯、取代或未取代的二芳基乙烯、取代或未取代的二噻吩基环戊烯或多吡啶钌配合物；所述聚合物载体物质为薄膜基质、弹性体基质或凝胶基质；所述上转换纳米粒子包括无机基质和结合的稀土离子，所述上转换纳米粒子掺杂于光敏复合材料中。

3、优选地，所述上转换纳米粒子的无机基质为氟化物，所结合的稀土离子包括tm3+、yb3+和y3+；所述上转换纳米粒子具有核壳结构。

4、优选地，所述聚合物载体物质为聚甲基丙烯酸甲酯；所述聚甲基丙烯酸甲酯的分子量为10-20kda。

5、优选地，所述溶剂为氯仿；所述光敏分子的质量分数为0.1-0.5%，所述上转换纳米粒子的质量分数为0.5-1.5%，所述聚合物载体物质的质量分数为10-20%。

6、优选地，所述光敏复合材料具有薄膜形态；所述成型为旋涂和/或滴涂的制膜工艺，所述旋涂的速度为1000~2000rpm/min，时间为60~90s；所述滴涂的时间为12~24h，温度为20~30℃。

7、与现有技术相比，本发明实施例制备了一种掺杂有上转换纳米粒子的光敏复合材料，由光敏分子、上转换纳米粒子和聚合物载体物质在溶剂中混合、成型而得；其中光敏分子为取代或未取代的螺吡喃、取代或未取代的偶氮苯、取代或未取代的二芳基乙烯、取代或未取代的二噻吩基环戊烯或多吡啶钌配合物，上转换纳米粒子包括无机基质和结合的稀土离子。在本发明中，所述的光敏复合材料受到近红外光激发后，上转换纳米粒子发射紫外光和/或可见光，可以引发光敏分子的光化学反应，实现其分子结构的变化，进而能够形成精细的直写结构。

8、本发明提供一种上转换纳米粒子辅助的近红外激光三维直写装置，包括：控制单元、近红外光源、准直光路、物镜、三维移动设备和样品承载单元，所述样品承载单元上承载前文所述的光敏复合材料；所述近红外光源由控制单元控制，依次经准直光路和物镜产生聚焦光斑，用于照射所述光敏复合材料；所述三维移动设备由所述控制单元控制并识别三维坐标，用于移动所述样品承载单元的位置。

9、优选地，所述近红外光源使用单模二极管激光器；所述近红外光源的波长为808-1064nm；所述物镜为可切换不同焦距和倍率的近红外物镜。

10、优选地，所述单模二极管激光器由激光器控制器控制激光强度，由功率计检测激光功率；所述激光器控制器连接有频率发生器，用于控制激光频率。

11、本发明提供一种上转换纳米粒子辅助的近红外激光三维直写方法，包括：

12、采用前文所述的近红外激光三维直写装置，其中样品承载单元上为光敏复合材料，通过控制单元控制近红外光源，聚焦光斑到所述光敏复合材料上，移动所述样品承载单元进行直写，得到具有微纳结构的材料样品。

13、优选地，所述近红外光源为近红外的连续激光或脉冲激光。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果包括：该利用上转换纳米粒子辅助近红外光三维直写装置包括控制单元、光源、准直光路、物镜、三维移动设备和样品承载单元，样品承载单元上承载掺杂有上转换纳米粒子的光敏复合材料，其将掺杂有上转换纳米粒子的光敏复合材料应用于近红外光三维直写中，对所述的光敏复合材料进行直写，构建三维图案，为构建精密三维微纳结构提供支持。本发明可使用廉价的近红外光激光器作为光源，而不使用昂贵的飞秒激光，操作简便，成本较低，经济效益较好；相比于传统的双光子直写，本发明利用上转换纳米粒子激发的紫外或可见光进行光反应，反应效率较好。

15、另外，由于上转换纳米粒子的多样性，可以激发出从紫外到红光全波段的发射光，因此可以适应于几乎所有的光敏分子，具有较好的普适性，在微纳制造、生物工程等领域有广泛的应用前景。

技术特征：

1.一种光敏复合材料，其特征在于，由光敏分子、上转换纳米粒子和聚合物载体物质在溶剂中混合，经成型制得；

2.根据权利要求1所述的光敏复合材料，其特征在于，所述上转换纳米粒子的无机基质为氟化物，所结合的稀土离子包括tm3+、yb3+和y3+；所述上转换纳米粒子具有核壳结构。

3.根据权利要求1所述的光敏复合材料，其特征在于，所述聚合物载体物质为聚甲基丙烯酸甲酯；所述聚甲基丙烯酸甲酯的分子量为10-20kda。

4.根据权利要求1-3任一项所述的光敏复合材料，其特征在于，所述溶剂为氯仿；所述光敏分子的质量分数为0.1-0.5%，所述上转换纳米粒子的质量分数为0.5-1.5%，所述聚合物载体物质的质量分数为10-20%。

5.根据权利要求4所述的光敏复合材料，其特征在于，所述光敏复合材料具有薄膜形态；所述成型为旋涂和/或滴涂的制膜工艺，所述旋涂的速度为1000~2000rpm/min，时间为60~90s；所述滴涂的时间为12~24h，温度为20~30℃。

6.一种上转换纳米粒子辅助的近红外激光三维直写装置，其特征在于，包括：控制单元、近红外光源、准直光路、物镜、三维移动设备和样品承载单元，所述样品承载单元上承载权利要求1-5任一项所述的光敏复合材料；所述近红外光源由控制单元控制，依次经准直光路和物镜产生聚焦光斑，照射所述光敏复合材料；所述三维移动设备由所述控制单元控制并识别三维坐标，用于移动所述样品承载单元的位置。

7.根据权利要求6所述的近红外激光三维直写装置，其特征在于，所述近红外光源使用单模二极管激光器；所述近红外光源的波长为808-1064nm；所述物镜为可切换不同焦距和倍率的近红外物镜。

8.根据权利要求7所述的近红外激光三维直写装置，其特征在于，所述单模二极管激光器由激光器控制器控制激光强度，由功率计检测激光功率；所述激光器控制器连接有频率发生器，用于控制激光频率。

9.一种上转换纳米粒子辅助的近红外激光三维直写方法，其特征在于，包括：采用权利要求6-8任一项所述的近红外激光三维直写装置，其中样品承载单元上为光敏复合材料，通过控制单元控制近红外光源，聚焦光斑到所述光敏复合材料上，移动所述样品承载单元进行直写，得到具有微纳结构的材料样品。

10.根据权利要求9所述的近红外激光三维直写方法，其特征在于，所述近红外光源为近红外的连续激光或脉冲激光。

技术总结
本发明公开了一种光敏复合材料、和一种上转换纳米粒子辅助的近红外激光三维直写方法及装置，可使用近红外光对掺杂有上转换纳米粒子的光敏复合材料进行直写产生微纳结构，光敏复合材料可通过上转换纳米粒子、光敏分子、聚合物基质的溶液涂膜制得。该光敏复合材料受到近红外光激发后，上转换纳米粒子发射的紫外‑可见光可引发光敏分子的光化学反应，实现其分子结构的变化。该近红外激光三维直写装置包括近红外光源、准直光路、物镜、三维移动设备等，其中所述光敏复合材料置于样品台。通过改变近红外光激光光斑在样品中的位置变化，可改变光斑直写位置，进而形成精细的直写结构。本发明可使用连续波近红外光激光器，成本较低、操作简便，利于应用。

技术研发人员：吴思,刘雅芝,曹景宁
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/9