飛秒激光直寫技術(shù)作為一種先進(jìn)的微納加工技術(shù)。因其精度高、綠色高效和可選擇材料廣泛等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用與各種微納加工領(lǐng)域。而壓電薄膜表面微工程化在是提升薄膜壓電性能的重要手段之一。目前，薄膜表面微工程化通常使用掩模法和納米壓印法，但這兩種方法存在效率低、精度低、成本高和難以加工無機(jī)脆性材料等缺點(diǎn)。

鑒于此，浙江工業(yè)大學(xué)激光先進(jìn)制造研究院姚建華教授團(tuán)隊(duì)范麗莎教授提出一種單步、無掩模、非破壞性的飛秒激光直接寫入路線實(shí)現(xiàn)了PZT薄膜的幾何微工程。以每秒3.0×105的生產(chǎn)率制造了包括納米凸起、納米火山和納米洞穴在內(nèi)的各種納米結(jié)構(gòu)陣列。納米凸起是由PZT薄膜從硅基底局部膨脹形成，由快速激光加熱產(chǎn)生的累積壓縮應(yīng)力驅(qū)動(dòng)。當(dāng)超過PZT的消融閾值時(shí)，納米凸起演變?yōu)榧{米火山，直到產(chǎn)生消融納米洞穴。通過調(diào)整激光能量和聚焦水平，可以精細(xì)調(diào)節(jié)納米凸起和納米洞穴的特征尺寸。對(duì)帶有納米凸起、納米火山和納米洞穴的PZT薄膜的壓電性能進(jìn)行了比較研究。與平坦PZT薄膜相比，帶有450納米高凸起的PZT薄膜在壓電響應(yīng)上實(shí)現(xiàn)了近30%的增強(qiáng)。理論模擬顯示，與平坦薄膜相比，在相同的外部壓力下，空心凸起的應(yīng)變顯著放大，這可以直接轉(zhuǎn)化為提高的輸出電壓。

使用激光共聚焦顯微鏡和原子力顯微鏡(AFM)對(duì)整個(gè)表面形貌進(jìn)行表征。如圖1b所示，通過調(diào)整激光掃描速度，使其單個(gè)脈沖被分離，在薄膜表面形成排列整齊、分布均勻的微結(jié)構(gòu)。圖1c的AFM圖像顯示，隨著激光能量密度的提高，納米鼓包逐漸變高，達(dá)到一定閾值后從中間開始破裂，形成火山口形貌，繼續(xù)增大能量密度后完全燒蝕形成凹槽。

對(duì)比了各種表面微結(jié)構(gòu)PZT薄膜的壓電性能，結(jié)果如圖2所示，帶有450納米高凸起的PZT薄膜顯示出最高的壓電響應(yīng)。其原因是納米鼓包的空心突出幾何形狀使得PZT薄膜中的應(yīng)力分布集中。當(dāng)施加外部壓力時(shí)，應(yīng)力集中在納米凸起的頂部，引起它們內(nèi)部更顯著的幾何應(yīng)變。圖2h中所示的模擬結(jié)果支持了這一結(jié)論。薄膜厚度設(shè)置相同，并施加了5千帕的壓力。在納米凸起頂部發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)變?yōu)?0-6，而應(yīng)變?cè)谄教贡∧ず蛶в屑{米洞穴圖案的薄膜中均勻分布，為10-8，比帶有納米凸起圖案的薄膜低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。納米凸起的形成增強(qiáng)了PZT薄膜的機(jī)械變形，導(dǎo)致電-機(jī)械能量轉(zhuǎn)換的改善和輸出電壓的增加。

△ 表面微結(jié)構(gòu)表征圖

△ 不同表面微結(jié)構(gòu)輸出對(duì)比和應(yīng)變仿真結(jié)果圖

使用壓電原子力顯微鏡測(cè)試了具有鼓包微結(jié)構(gòu)的薄膜和平面薄膜的電滯回線，并對(duì)鼓包頂部進(jìn)行了疇寫入。結(jié)果如圖3所示，在相同偏置電壓下鼓包頂部的形變量達(dá)到500pm，大于薄膜350pm，并且成功對(duì)鼓包頂部區(qū)域進(jìn)行了疇寫入。最后，將具有450納米鼓包微結(jié)構(gòu)PZT薄膜和平面PZT薄膜封裝，將其制成雨量檢測(cè)傳感器，對(duì)比了兩種薄膜的雨量檢測(cè)性能。如圖4所示，在降雨監(jiān)測(cè)測(cè)試中，帶有450納米高凸起的PZT薄膜對(duì)下落雨滴的響應(yīng)高于平坦PZT薄膜，預(yù)示著飛秒激光幾何工程在先進(jìn)壓電傳感應(yīng)用開發(fā)中的潛力。

相關(guān)研究成果以“Femtosecond-laser-enabled geometric micro-engineering of PZT films for boosted piezoelectric response and rainfall monitoring demonstration”為題發(fā)表在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。浙江工業(yè)大學(xué)為第一單位，我院范麗莎教授為第一作者，姚建華教授和吳化平教授為通訊作者。

△ PFM圖像

△ 雨量監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖