液相激光烧蚀法plus微流控提高纳米结构制备效率

纳米材料的出现令人类第一次从微观层次主动设计、开发材料,从而向分子原子尺度控制材料性能跨越。例如,2016年科学家用纳米材料研制出“超级镜头”,即比一张纸还要薄的透镜,图像质量还和当前世界上最先进的光学成像系统相当。

作为一种环保、低选择性的新型纳米材料制备技术,激光液相烧蚀法利用脉冲激光对浸没在液体中的靶样品进行烧蚀,直接在液相环境中制备出微纳米结构,成为了纳米材料制造业的“新宠儿”。但是,这项新技术存在制备效率低下等缺陷。

近日,吉林大学于颜豪博士课题组提出将液相激光烧蚀法与微流控技术相结合,实现了基于微流控芯片的液相激光烧蚀法。该方法结合了二者优势,在微流控芯片中精确控制液相环境,使其避免了湍流等不利现象,使得激光烧蚀形成的纳米粒子随着“微流体”迅速排出芯片,显著提高了制备效率。实验装置如图1所示。


图1 实验装置图:右侧为制备完成的微流控芯片(蓝色箭头为微流体流动方向),左侧为实验所用光路。激光经过物镜聚焦在微通道硅基上,制备完成的纳米材料会被微流体“带离”微流体芯片。

实验首先在硅基上利用PDMS和二氧化硅盖玻片制备出含有一条为微流通道的微流控芯片。在保持微流控流速不变的情况下,通过控制激光烧蚀功率成功地烧蚀出晶格型(400-800nm)和圆球型(100-300 nm)硅纳米结构,并研究了微流控流速对硅纳米材料制备效率之间的关系。当微流控流速在9 mL/min以后制备效率趋于饱和,9 mL/min以下时微流控流速增加对纳米材料的制备效率确实有促进作用,将最高制备效率提高了30%以上,达到87.5 mg/min。这为将来液相激光烧蚀法工业化生产提供一种新的技术路线。

实验中在不同激光功率下制备出了下述的硅纳米结构。(a)-(b)的激光烧蚀功率为3 mW; (c)-(d)的激光烧蚀功率为4 mW; (e)-(f)的激光烧蚀功率为5 mW。3 mW制备出的硅纳米结构带有明显的晶格特征,并且结构尺寸较大; 4 mW制备出的硅纳米结构便失去了晶格特性,呈现球型,并且结构尺寸较小。


图2 硅纳米结构扫描电镜照片

研究人员表示后续将着重将此技术应用于各种金属,介质等材料,并且尝试使用不同溶液作为液相环境,试图制备出具有特殊表面活性的纳米材料。

论文信息:关凯珉,刘晋桥,徐颖,于颜豪,基于微流控技术的高效液相激光烧蚀法,DOI: 10.3788/cjl201744.0402006。