專利名稱：圖形化導(dǎo)電聚偏氟乙烯的準(zhǔn)分子激光制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及導(dǎo)電聚合物材料和激光微加工領(lǐng)域。尤指采用準(zhǔn)分子激光制備導(dǎo)電聚
偏氟乙烯過程中，一種用于使其導(dǎo)電層圖形化的方法。
背景技術(shù)：
近年來，在導(dǎo)電聚合物領(lǐng)域方面的研究迅速發(fā)展，其中出現(xiàn)了新型非共軛型導(dǎo)電 高分子材料，即聚偏氟乙烯導(dǎo)電聚合物。這一研究成果打破了原有導(dǎo)電聚合物類型以聚噻 吩、聚吡咯、聚對苯、聚苯胺等的共軛型材料為主的局限性，同時其激光制備手段也取代了 原有的復(fù)雜的化學(xué)摻雜為主的制備方法。到目前為止，針對共軛型導(dǎo)電聚合物的圖形構(gòu)造 研究有很多，如D. G. Lidzey等在《0rganic Electron》2005， 6， 221上報道采用光化學(xué)的方 f去；S. Jahromi等在《Chemical Physics and Physics Chemistry》2002， 3， 693上矛艮道的掃 描探針平板印刷法(SPL) ;Zhou F，Li B等在《Science in ChinaSeries B :Chemistry》47， 120-125上報道的電鍍沉積法；Ferrell和N. Woodard等在《Biomedical Microdevices》上 報道的微成型法。這些研究成果有力地推動導(dǎo)電聚合物的器件應(yīng)用。對于非共軛型導(dǎo)電聚 偏氟乙烯材料的構(gòu)造研究迫在眉睫。對于導(dǎo)電聚偏氟乙烯材料導(dǎo)電層圖形化的研究目前處 于空白階段。

發(fā)明內(nèi)容
為了完成對導(dǎo)電聚偏氟乙烯材料導(dǎo)電層圖形化的研究，本發(fā)明采用準(zhǔn)分子激光微 加工技術(shù)和準(zhǔn)分子激光輻照技術(shù)相結(jié)合的方式，提出一種可制備各式圖形導(dǎo)電層的方法， 完善該領(lǐng)域制備工藝。 本發(fā)明的基本思想是通過準(zhǔn)分子激光掩模直寫刻蝕技術(shù)完成所需圖形的構(gòu)造的 同時，在其表面引入導(dǎo)電活性中心；然后，通過掩模技術(shù)控制導(dǎo)電層的生長方向，從而實現(xiàn) 圖形化導(dǎo)電層的制備。 本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下本發(fā)明采用兩組光路系統(tǒng)，分別是準(zhǔn)分子激光 掩模直寫光路系統(tǒng)和準(zhǔn)分子激光輻照光路系統(tǒng)。其中準(zhǔn)分子激光掩模直寫光路系統(tǒng)沿 光的傳播方向依次設(shè)置了激光器、第一反射鏡、第二反射鏡、掩模、第三反射鏡、第一會聚透 鏡、樣品和三維工作臺。準(zhǔn)分子激光輻照光路系統(tǒng)沿光的傳播方向依次設(shè)置激光器、第一級 復(fù)眼、第二級復(fù)眼、第二會聚透鏡、第三會聚透鏡和工作臺。 本發(fā)明中的方法包括利用準(zhǔn)分子激光掩模直寫光路系統(tǒng)對試樣表面進(jìn)行所需圖 形構(gòu)造，采用高功率三倍頻紫外激光技術(shù)完成相對應(yīng)輻照所需掩模的制備和利用準(zhǔn)分子激 光輻照光路系統(tǒng)完成導(dǎo)電層的誘導(dǎo)制備。具體步驟如下 1)選取厚度大于或等于O. 5mm(毫米)的聚偏氟乙烯(PVDF)材料薄膜為樣品材料 并對其進(jìn)行清洗； 2)將清洗后的樣品置于準(zhǔn)分子激光掩模直寫光路系統(tǒng)的三維工作臺上，采用準(zhǔn)分 子激光掩模直寫光路系統(tǒng)在聚偏氟乙烯表面進(jìn)行導(dǎo)電圖形輪廓的刻蝕，以達(dá)到控制導(dǎo)電區(qū)域，引入活性中心的目的，具體按以下步驟進(jìn)行 i)選擇掩模板4十字圖案，打開激光器，在試樣上進(jìn)行預(yù)刻蝕，調(diào)節(jié)焦點位置處于 樣品表面； ii)選取另一樣品7固定到三維工作臺8上； iii)調(diào)節(jié)掩模4圖案，設(shè)置激光器參數(shù)，打開激光器。所述的激光器參數(shù)為激光器 的激光能量和激光脈沖個數(shù)，激光能量的取值范圍為200mJ 600mJ，激光脈沖個數(shù)的取值 范圍為1 50Hz ; iv)根據(jù)具體實驗要求，對樣品7表面進(jìn)行刻蝕，完成圖形構(gòu)造，關(guān)閉激光器1 ;
3)根據(jù)步驟2)中所得導(dǎo)電圖形刻蝕線寬度范圍，采用高功率三倍頻紫外激光技 術(shù)制備相對應(yīng)的掩模，所述的掩模要暴露圖形輪廓內(nèi)部的刻蝕區(qū)域，同時覆蓋圖形輪廓以 外的區(qū)域 4)將步驟3)中制備的掩模固定在樣品需要改性面，將裝配好掩模的樣品置于準(zhǔn) 分子激光輻照光路系統(tǒng)的工作臺上，完成準(zhǔn)分子激光輻照改性，誘導(dǎo)聚偏氟乙烯表面導(dǎo)電 層生成，具體步驟如下 i)將熱敏紙置于工作臺上，調(diào)節(jié)激光器的激光脈沖重復(fù)頻率使在熱敏紙上可以獲 得光斑，計算在熱敏紙上獲得光斑的大小并記錄此時工作臺13所在的位置坐標(biāo)0(x， y及 z); ii)通過功率計獲得工作臺13所在位置0處的激光平均輸出能量，用該激光平均 輸出能量除以上步中得到的光斑的大小得到位置O處的激光能量密度，即為材料表面處所 獲得的能量密度；所述的激光能量密度為44mJ/cm2 112mJ/cm2 ; iii)將裝配后的試樣7置于工作臺13上，即熱敏紙所在的位置，并將工作臺13置
于位置0處，使PVDF薄膜的表面與激光傳播方向垂直，進(jìn)行樣品輻照操作。 5)取下掩模，制備完成具有圖形化導(dǎo)電層的聚偏氟乙烯材料。 步驟4)中所述的裝配帶掩模的樣品過程中，需注意掩模的尺寸以輪廓刻蝕線的
尺寸為準(zhǔn)，即不可覆蓋刻蝕線。如圖3，4，5所示。 本發(fā)明的原理為先通過準(zhǔn)分子微加工技術(shù)在其表面進(jìn)行刻蝕以達(dá)到構(gòu)造圖形的 目的，同時刻蝕區(qū)域又為導(dǎo)電層形成的活性中心；通過裝配在樣品上的掩模結(jié)構(gòu)控制導(dǎo)電 層生成方向，以達(dá)到制備圖形化導(dǎo)電聚偏氟乙烯材料的目的。 本發(fā)明的優(yōu)點在于實現(xiàn)了導(dǎo)電聚偏氟乙烯材料導(dǎo)電層圖形化的制備。操作步驟 簡單、制備速度快、圖形選擇性強(qiáng)。


圖1是本發(fā)明準(zhǔn)分子激光掩模直寫光路系統(tǒng)
圖2是本發(fā)明準(zhǔn)分子激光輻照光路系統(tǒng)
圖3是本發(fā)明實施例1中樣品導(dǎo)電圖形示意圖
圖4是本發(fā)明實施例2中樣品導(dǎo)電圖形示意圖
圖5是本發(fā)明實施例3中樣品導(dǎo)電圖形示意圖 圖中1、激光器，2、第一反射鏡，3、第二反射鏡，4、掩模，5、第三反射鏡，6、第一會 聚透鏡，7、樣品，8、三維工作臺，9、第一級復(fù)眼，10、第二級復(fù)眼，11、第二會聚透鏡，12、第三會聚透鏡，13、工作臺，14、導(dǎo)電層，15、刻蝕區(qū)域。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。 本發(fā)明的方法中采用兩種光路結(jié)構(gòu)，分別為準(zhǔn)分子激光掩模直寫光路系統(tǒng)和準(zhǔn)分 子激光輻照光路系統(tǒng)。其中準(zhǔn)分子激光掩模直寫光路系統(tǒng)如圖l所示，包括沿光的傳播 方向依次設(shè)置的激光器1、第一反射鏡2、第二反射鏡3、掩模4、第三反射鏡5、第一會聚透 鏡6、樣品7和三維工作臺8。準(zhǔn)分子激光輻照光路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括沿光的傳 播方向依次設(shè)置的激光器1、第一級復(fù)眼9、第二級復(fù)眼10、第二會聚透鏡11、第三會聚透鏡 12和工作臺13。 本實施例中的激光器采用的都是德國Lambda Physik公司制造的LPX305iF型準(zhǔn) 分子激光器，該激光器的主要性能指標(biāo)如下激發(fā)光波長為248nm，脈寬為20ns，最大脈沖 能量為1. 2J/Pluse，平均輸出功率為60W，重復(fù)頻率為1 50Hz，輸出能量為200 600mJ。 材料表面的能量密度主要通過激光輸出能量和光斑大小進(jìn)行控制。 首先，采用附圖1所示的準(zhǔn)分子激光掩模直寫光路系統(tǒng)在聚偏氟乙烯表面刻蝕，
以構(gòu)造所需圖形。該光路系統(tǒng)可將掩模板圖案縮小15倍。具體按以下步驟進(jìn)行 1)選擇掩模板4十字圖案，打開激光器l，在聚偏氟乙烯(樣品7)表面進(jìn)行預(yù)刻
蝕，調(diào)節(jié)焦點位置處于樣品表面； 2)取另一樣品7固定到三維工作臺8上； 3)將掩模4調(diào)節(jié)到所需圖案，設(shè)置激光器參數(shù)，打開激光器。 4)根據(jù)具體實驗要求，對樣品7表面進(jìn)行刻蝕構(gòu)造圖形，完成刻蝕后，關(guān)閉激光器 1。 然后，根據(jù)上一步所得刻蝕線的寬度進(jìn)行掩模的制備。制備過程中采用的是高功 率三倍頻紫外激光器；掩模材料選擇為銅，厚度為lmm。掩模的作用是為了下一步激光誘導(dǎo) 產(chǎn)生導(dǎo)電層提供活性中心的同時，使導(dǎo)電層向所規(guī)定區(qū)域生長。 最后，采用附圖2所示的準(zhǔn)分子激光輻照光路系統(tǒng)對裝配后的試樣進(jìn)行改性，具 體按以下步驟進(jìn)行 1)將熱敏紙置于工作臺13上，調(diào)節(jié)激光器的激光參數(shù)為1Hz，脈沖個數(shù)為1個，在 熱敏紙上獲得光斑大小并記錄工作臺13所在位置坐標(biāo)O(x， y及z); 2)通過功率計獲得工作臺13所在位置0處的激光平均輸出能量。通過第1)步得
到的光斑大小，計算出該處的激光能量密度，即為材料表面處所獲得的能量密度； 3)重復(fù)第一步及第二步，協(xié)調(diào)光斑大小及材料表面激光能量，以獲得最佳材料表
面的激光能量密度。確定激光束光斑大小及激光器輸出能量，完成材料表面能量密度的計
算； 4)將織構(gòu)完成的樣品7置于工作臺13上熱敏紙所在的位置，并將工作臺13置于 位置0處，使試樣的表面與激光傳播方向垂直，進(jìn)行樣品輻照操作。 本實施例所處的工作氣氛屬于空氣環(huán)境，選取的PVDF薄膜樣品厚度為0. 5mm，大 小為14X 14mm2，誘導(dǎo)PVDF薄膜表面具有導(dǎo)電性的準(zhǔn)分子激光能量密度范圍為44mJ/cm2 112mJ/cm2。在以下實施例中，激光輻照過程中采用的激光能量密度為98mJ/cm2，重復(fù)頻率
5為4Hz。 采用本實施例中的方法，下面結(jié)合具體的試驗對本實施例進(jìn)行詳細(xì)的說明
實施例1 首先，在附圖1所示的準(zhǔn)分子激光掩模直寫光路系統(tǒng)中選擇直徑為3. 6mm的圓形 掩模，經(jīng)15倍縮小后，在PVDF表面獲得寬度為0. 24mm的刻蝕痕15。通過對三維工作臺的 控制，在PVDF表面構(gòu)造3 X 9mm2的長方形，如圖3所示。實驗過程中激光器1能量為300mJ， 重復(fù)頻率為4Hz 。然后，通過He-Ne激光進(jìn)行定位，打開三維工作臺8，設(shè)置其速度為30mm/ min，打開激光器l，通過激光器控制軟件和三維工作臺控制軟件自動完成該長方形結(jié)構(gòu)的 制備。 然后，根據(jù)其刻蝕線寬為0. 24mm，制備銅掩模。掩膜的長度范圍控制在3 3. 24 之間，寬度范圍控制在9 9. 24之間，以盡可能暴露刻蝕區(qū)域15，同時覆蓋非導(dǎo)電圖形區(qū)域 14以外為準(zhǔn)。完成裝配。 將裝配完成的樣品置于準(zhǔn)分子激光輻照光路系統(tǒng)的工作臺13上，通過He-Ne激光 進(jìn)行準(zhǔn)直，調(diào)整光路，使其具有完整光斑形狀。設(shè)置激光器輸出能量為300mJ，能量計測量樣 品表面能量為206mJ，通過測量的光斑大小(1. 45X1. 45 = 2. 10cm2)確定樣品表面激光能 量密度為98mJ/cm2。該能量密度屬于改性閾值范圍。設(shè)置激光重復(fù)頻率為4Hz。以上步驟 完成后，將制備好的銅掩膜固定在織構(gòu)完成的樣品表面，開啟激光，進(jìn)行材料輻照改性，導(dǎo) 電層從刻蝕線處開始生長直到到達(dá)其它刻蝕線為止，導(dǎo)電層覆蓋整個區(qū)域，停止激光輸出。 取下銅制掩模，長方形導(dǎo)電圖形14制備完成。
實施例2 首先，在附圖1所示的準(zhǔn)分子激光掩模直寫光路系統(tǒng)中選擇直徑為3. 6mm的圓形 掩模，經(jīng)15倍縮小后，在PVDF表面獲得直徑為0. 24mm的刻蝕痕15。通過對三維工作臺的 控制，在PVDF表面構(gòu)造"T"形，其各個數(shù)據(jù)參數(shù)如圖4所示。實驗過程中激光器l能量為 300mJ，重復(fù)頻率為4Hz。然后，通過He-Ne激光進(jìn)行定位，打開三維工作臺8，設(shè)置其速度為 30mm/min，打開激光器1，通過激光器控制軟件和三維工作臺控制軟件自動完成該長方形結(jié) 構(gòu)的制備。 然后，根據(jù)其刻蝕線寬為0. 24mm，制備銅掩模。其尺寸以盡可能暴露刻蝕區(qū)域15， 同時覆蓋非導(dǎo)電圖形區(qū)域14以外為準(zhǔn)。完成裝配。 將裝配完成的樣品置于準(zhǔn)分子激光輻照光路系統(tǒng)的工作臺13上，通過He-Ne激光 進(jìn)行準(zhǔn)直，調(diào)整光路，使其具有完整光斑形狀。設(shè)置激光器輸出能量為300mJ，能量計測量樣 品表面能量為206mJ，通過測量的光斑大小(1. 45X1. 45 = 2. 10cm2)確定樣品表面激光能 量密度為98mJ/cm2。該能量密度屬于改性閾值范圍。設(shè)置激光重復(fù)頻率為4Hz。以上步驟 完成后，將制備的銅掩膜固定在織構(gòu)完成的樣品表面，開啟激光，進(jìn)行材料輻照改性，導(dǎo)電 層從刻蝕線處開始生長直到到達(dá)其它刻蝕線為止，導(dǎo)電層覆蓋整個區(qū)域，停止激光輸出。取 下銅制掩模，"T"形導(dǎo)電圖形14制備完成。
實施例3 首先，在附圖1所示的準(zhǔn)分子激光掩模直寫光路系統(tǒng)中選擇直徑為3. 6mm的圓形 掩模，經(jīng)15倍縮小后，在PVDF表面獲得直徑為0. 24mm的刻蝕痕15。通過對三維工作臺的控 制，在PVDF表面構(gòu)造直徑為6mm的圓形，如圖5所示。實驗過程中激光器1能量為300mJ，重復(fù)頻率為4Hz.然后，通過He-Ne激光進(jìn)行定位，打開三維工作臺8，設(shè)置其轉(zhuǎn)動速度為2mm/ min，打開激光器l，通過激光器控制軟件和三維工作臺控制軟件自動完成該長方形結(jié)構(gòu)的 制備。 然后，根據(jù)其刻蝕線寬為0. 24mm，制備銅掩模。其直徑范圍控制在6 6. 24之間， 以盡可能暴露刻蝕區(qū)域15，同時覆蓋非導(dǎo)電圖形區(qū)域14以外為準(zhǔn)。完成裝配。
將裝配完成的樣品置于準(zhǔn)分子激光輻照光路系統(tǒng)的工作臺13上，通過He-Ne激光 進(jìn)行準(zhǔn)直，調(diào)整光路，使其具有完整光斑形狀。設(shè)置激光器輸出能量為300mJ，能量計測量樣 品表面能量為206mJ，通過測量的光斑大小(1. 45X1. 45 = 2. 10cm2)確定樣品表面激光能 量密度為98mJ/cm2。該能量密度屬于改性閾值范圍。設(shè)置激光重復(fù)頻率為4Hz。以上步驟 完成后，將制備的銅掩膜固定在織構(gòu)完成的樣品表面，開啟激光，進(jìn)行材料輻照改性，導(dǎo)電 層從刻蝕線處開始生長直到到達(dá)其它刻蝕線為止，導(dǎo)電層覆蓋整個區(qū)域，停止激光輸出。取 下銅制掩模，圓形導(dǎo)電圖形14制備完成。
權(quán)利要求
圖形化導(dǎo)電聚偏氟乙烯的準(zhǔn)分子激光制備方法，其特征在于，該方法采用兩組光路系統(tǒng)，分別是準(zhǔn)分子激光掩模直寫光路系統(tǒng)和準(zhǔn)分子激光輻照光路系統(tǒng)；其中準(zhǔn)分子激光掩模直寫光路系統(tǒng)沿光的傳播方向依次設(shè)置了激光器、第一反射鏡、第二反射鏡、掩模、第三反射鏡、第一會聚透鏡、樣品和三維工作臺；準(zhǔn)分子激光輻照光路系統(tǒng)包括沿光的傳播方向依次設(shè)置的激光器、第一級復(fù)眼、第二級復(fù)眼、第二會聚透鏡、第三會聚透鏡和工作臺；本方法包括利用準(zhǔn)分子激光掩模直寫光路系統(tǒng)對樣品表面進(jìn)行導(dǎo)電圖形輪廓的刻蝕和采用準(zhǔn)分子激光輻照光路系統(tǒng)對構(gòu)造出的導(dǎo)電圖形內(nèi)部的導(dǎo)電層的誘導(dǎo)制備；所述的用準(zhǔn)分子激光掩模直寫光路系統(tǒng)對樣品表面進(jìn)行所需導(dǎo)電圖形輪廓的刻蝕的具體步驟如下1)選取聚偏氟乙烯材料薄膜為樣品材料；2)將清洗后的樣品置于準(zhǔn)分子激光掩模直寫光路系統(tǒng)的三維工作臺上，采用準(zhǔn)分子激光掩模直寫光路系統(tǒng)在樣品表面進(jìn)行導(dǎo)電圖形輪廓的刻蝕，以達(dá)到控制導(dǎo)電區(qū)域的目的，刻蝕時，激光器的激光能量的取值范圍為200mJ～600mJ，激光脈沖個數(shù)的取值范圍為1～50Hz；3)根據(jù)步驟2)中所得導(dǎo)電圖形輪廓，采用高功率三倍頻紫外激光技術(shù)制備相對應(yīng)的掩模，所述的掩膜要暴露圖形輪廓內(nèi)部的刻蝕區(qū)域，同時覆蓋圖形輪廓以外的區(qū)域；4)將步驟3)中制備的掩膜固定在步驟2)已刻蝕出導(dǎo)電圖形輪廓的樣品表面，將裝配好掩模的樣品置于準(zhǔn)分子激光輻照光路系統(tǒng)的工作臺上，完成準(zhǔn)分子激光輻照改性，在導(dǎo)電圖形輪廓線的內(nèi)部誘導(dǎo)制備導(dǎo)電層生成；誘導(dǎo)制備導(dǎo)電層生成時，在樣品表面處所獲得的能量密度為44mJ/cm2～112mJ/cm2。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖形化導(dǎo)電聚偏氟乙烯的準(zhǔn)分子激光制備方法，其特征在于步驟1)中所述的樣品的厚度大于等于0. 5mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種圖形化導(dǎo)電聚偏氟乙烯的準(zhǔn)分子激光制備方法，屬于導(dǎo)電聚合物材料和激光微加工領(lǐng)域。本發(fā)明通過準(zhǔn)分子激光掩模直寫刻蝕技術(shù)完成所需圖形的構(gòu)造的同時，在其表面引入導(dǎo)電活性中心；然后，通過掩模技術(shù)控制導(dǎo)電層的生長方向，從而實現(xiàn)圖形化導(dǎo)電層的制備。本發(fā)明的優(yōu)點在于實現(xiàn)了導(dǎo)電聚偏氟乙烯材料導(dǎo)電層圖形化的制備。操作步驟簡單、制備速度快、圖形選擇性強(qiáng)。
文檔編號G03F7/20GK101782722SQ20091024364
公開日2010年7月21日 申請日期2009年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日
發(fā)明者劉瑩, 蔣毅堅 申請人:北京工業(yè)大學(xué)