尹越; 窦琳; 沈天赐; 刘家彤; 谷付星

doi:10.7498/aps.74.20241654

摘要

聚合物衬底克服了刚性平面衬底在空间形变场景下的局限, 并能结合光刻技术制备复杂三维异形空间结构. 光热冲镊技术实现了固体界面上对微纳物体的捕获和操控, 将该技术应用在聚合物衬底上可开发新的应用场景需求. 本文以常用的聚甲基丙烯酸甲酯和负性光刻胶作为聚合物衬底, 通过溶胶-凝胶法在其上制备SiO₂纳米薄膜, 能有效减轻光热冲击效应引起的热损伤, 从而实现微纳物体的激光捕获及操控. 实验表明, 在常用激光操控功率条件下, 当SiO₂纳米薄膜厚度大于110 nm时, 能够有效防止聚合物衬底因光热效应引起软化、膨胀和表面破坏. 理论计算也表明, 纳米薄膜能至少使聚合物表面温度降低111 ℃, 并使其产生最高温度的时间滞后13.2 ns. 本文使用的纳米薄膜制备技术具有常温、大面积、低粗糙度且厚度均一的优点, 能普遍适用于柔性聚合物衬底以及异形结构. 本实验结果拓展了激光捕获物体的环境媒介, 为其在微纳操控、微纳米机器人和微纳光机电器件等领域的应用提供新的可能性.

关键词:

Abstract

Polymer substrates break through the limitations of rigid planar substrates in spatial deformation scenarios and can be combined with photolithography to fabricate complex, three-dimensional irregular polymer structures. Photothermal-shock tweezer is a laser trapping technique based on the photothermal shock effect. Photothermal-shock tweezer uses pulsed laser induced transient photothermal shock to generate micro-newton-scale thermomechanical strain gradient force, enabling the trapping and manipulation of micro/nano-objects at solid interfaces. Integrating this technique with polymer substrates can meet the demands of new application scenarios. In this work, commonly employed polymethyl methacrylate (PMMA) and negative photoresist (SU-8) are used as polymer substrates, on which SiO₂ nanofilms are prepared using the sol-gel method. This method effectively mitigates thermal damage caused by photothermal shock effects, enabling laser trapping and manipulation of micro/nano-objects.The SiO₂ nanofilms, characterized by low thermal conductivity, effectively inhibit heat transfer. The nanofilm fabrication technique utilized in this study enables the synthesizing of large-area SiO₂ nanofilms with large-area coverage, low surface roughness (R_q ~ 320 pm) and uniform thickness, making them broadly applicable to flexible polymer substrates and irregular structures. Direct contact between the polymer layer and micro/nano-objects during manipulating the photothermal shock tweezer can induce irreversible substrate degradation due to transient photothermal shock effects. Experimental results demonstrate that depositing an SiO₂ nanofilm thicker than 110 nm on the polymer substrate can significantly enhance thermal insulation and protection, effectively mitigating laser-induced damage under typical optical manipulation conditions.Additionally, by analyzing the temperature field distribution of the gold nanosheet, PMMA substrate, and SiO₂ nanofilm during a single photothermal shock trapping of a gold nanosheet, it is found that the SiO₂ nanofilm can reduce the PMMA surface temperature by at least 111 ℃ and delay the time for PMMA to reach its peak temperature by 13.2 ns compared with the the gold nanosheet. The experimental results expand the environmental medium for laser trapping of objects, providing new possibilities for applications in micro/nano-manipulation, micro/nanorobotics, and micro/nano-optoelectronic devices.

Keywords:

作者及机构信息

通信作者: 谷付星, gufuxing@usst.edu.cn

基金项目: 国家自然科学基金 (批准号: 62122054, 62075131)资助的课题.

Authors and contacts

Corresponding author: GU Fuxing, gufuxing@usst.edu.cn

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 62122054, 62075131).

文章全文

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