溶液脉冲纳米颗粒液体激光(激光脉冲材料纳米颗粒)

麻烦看官们右上角点击一下“关注”，方便您及时阅读更多文章，感谢您的支持!文|雾归编辑|雾归在纳米科技领域，激光剥离技术在纳米颗粒的制备中发挥着关键作用
激光脉冲是一种常用的剥离方法，其脉冲模式的选择对于纳米颗粒的质量和产量具有重要影响
纳秒、皮秒和飞秒是常见的激光脉冲模式，它们具有不同的脉冲宽度和能量密度特性
接下来，我将重点分析不同激光脉冲模式对材料剥离效率、剥离深度、颗粒尺寸分布以及纳米颗粒产量等方面的影响
通过研究不同脉冲模式对材料剥离的影响，我们可以为其他领域如纳米材料制备、生物医学和光电子学等提供有关激光加工技术的重要见解
脉冲激光消融飞秒激光脉冲和皮秒激光脉冲的超短脉冲持续时间可用于高质量和精确的材料加工
超短脉冲持续时间只与电子相互作用，而较长的脉冲持续时间则与晶格相互作用
值得一提的是，在超短激光脉冲与材料相互作用时，热传导受到限制
因此，材料将在目标上的某个空间或明确定义的区域内被剥离，最小化剥离区域的机械和热损伤
相反，对材料进行长时间纳秒级脉冲辐照会导致目标材料持续加热
激光脉冲能量将通过热传导扩散到超出激光斑大小的区域，导致目标材料沸腾和蒸发
目标材料的沸腾和蒸发会产生无法控制的熔融层
在纳秒级激光脉冲持续时间的情况下，这个问题可能会导致加工或标记不精确
已经有关于激光与材料相互作用的研究，但这些研究主要展示了脉冲激光在材料加工中的不同应用方式，特别是在纳米技术领域
此外，还有相关的研究发现涉及激光在液体环境中剥离纳米颗粒的影响，并且这些研究在一定程度上展示了不同激光脉冲持续时间对纳米颗粒剥离的影响
对通过激光剥离液体溶液中产生的纳米颗粒的结构和相的概念化的关注也较少
因此，了解在这些应用中的最佳脉冲模式对于支持和提升纳米技术中激光材料加工的性能至关重要
不同激光脉冲持续时间下的激光与材料相互作用材料的激光剥离始于光子的吸收，随后激光束通过加热和光电离作用影响目标表面的区域
随后，被剥离的材料以固体碎片、蒸汽、液滴或膨胀的等离子体喷流形式释放出来
剥离的材料量和相态取决于目标材料吸收的能量
在短脉冲和低强度激光与材料相互作用之后，由于逆布喇居辐射，激光束能量将被材料中的自由电子吸收，随后在电子内部热化，并将能量传递给晶格
最终，能量会通过电子对目标材料的传热而损失
激光束向目标材料的能量传递可以使用1D和2D扩散模型进行描述，当快速热化在电子子系统中被考虑，并且晶格和电子子系统均以它们的温度（晶格温度 Ti 和电子温度 Te）来表征时：其中，Q(z)是垂直于目标材料表面的z轴方向的热通量，S是激光加热源，I(t)是随时间变化的激光强度，A是表面透射率（A = 1 − R），R是目标材料的反射率，α是目标材料的吸收系数，Ce是单位体积电子的热容量，Ci是单位体积晶格的热容量，γ是表征电子-晶格耦合的参数，ke是电子的热导率
用两个非线性微分方程（1）和（2）来模拟Te和Ti的冷却动力学，考虑了样品材料的电子-声子耦合和热导率 [14]
此外，这些方程还可以用于模拟电子和晶格温度Te和Ti的时间演化
方程（1）-（4）可以写成：晶格的热容量（Ci）远高于电子的热容量（Ce）；在这种情况下，电子的温度非常高
当费米能量高于电子能量时，非平衡热导率和电子的热容量可以分别写成ke = ko(Ti)·Te/Ti和Ce = C'e·Te，其中ko(Ti)是材料的传统平衡热导率，C'e是一个常数
在方程（5）中，忽略了晶格子系统（声子成分）中的热导率，并且它具有三个特征时间尺度；τe是电子冷却时间（τe = Ce/γ），τi是晶格加热时间（τe << τi）（τi = Ci/γ），τL是激光脉冲持续时间
在激光与材料的相互作用中，这些参数定义了三种不同的相互作用模式：纳秒、皮秒和飞秒
研究表明，通过使用短脉冲激光、足够的界面吸收和高吸收液体，可以获得高固体表面温度
如下图所示，在使用纳秒级激光（20 ns）的情况下，液体环境的温度相对于透明固体材料而言要高得多
纳秒激光纳秒激光是一种具有相对较长脉冲宽度的激光技术
它能够在材料表面提供持续的能量传递，导致材料加热、熔化和蒸发
纳秒激光由于其脉冲宽度较长，通常适用于需要高能量和较大热影响区域的应用
例如，在深度切割和焊接领域，纳秒激光能够提供所需的高效率加工能力
此外，纳秒激光在工业和医学领域都有广泛的应用
它可以为材料加工和治疗方案提供高度准确和精细的解决方案
皮秒激光皮秒激光是一种脉冲持续时间在皮秒级别（10^-12秒）的激光
它具有非常短的脉冲持续时间，使得能量的传递和吸收发生在极短的时间尺度上
皮秒激光在材料加工、光谱学、生物医学和其他领域中得到广泛应用
由于其短脉冲持续时间，皮秒激光可以实现高精度的材料加工和微细结构的制造
它能够在材料中产生高强度的局部能量密度，从而引发快速的光热效应和非线性光学效应
这使得皮秒激光在纳米加工、超快光学和其他领域的研究中具有重要的应用前景
飞秒激光飞秒激光是一种脉冲持续时间在飞秒级别（10^-15秒）的激光
它是目前已知脉冲持续时间最短的激光技术之一
由于其非常短的脉冲持续时间，飞秒激光能够实现超快的光与物质相互作用过程，产生高强度的局部能量密度
这种高强度的激光脉冲能够引发材料中的非线性光学效应、光致电离和电子激发等过程，从而实现精确的材料加工、光谱测量和光学显微成像
飞秒激光的特性使其在纳米加工、超快光学研究和激光医学领域具有重要的应用前景
材料烧蚀和纳米颗粒生产的不同脉冲持续时间的比较对纳秒、皮秒和飞秒激光在纳米颗粒和材料加工方面的特性进行了比较研究
尽管这些比较并非完全相同，但实验工作可以被视为在它们的常规工作条件下对这些商用激光器进行公平比较
材料的纳秒激光剥离是由蒸汽压力和光的反冲压力驱动的熔融物质的喷射造成的
由于这个过程的不稳定性，熔化的材料会再次凝固，其中流体相动力学和蒸汽驱动条件非常复杂
因此，与飞秒激光相比，材料表面的剥离区域不够精确和均匀
此外，纳秒激光剥离会产生热影响区（HAZ）
研究显示，纳秒激光剥离的铝样品的HAZ宽度约为40微米，而飞秒激光的HAZ宽度小于2微米，几乎不可观察到
在短脉冲激光（皮秒激光）和超短脉冲激光（飞秒激光）的情况下，它们的脉冲持续时间（τ）远远短于材料目标的晶格和自由电子之间能量传递所需的时间尺度
因此，在微米范围的浅层产生非常高的温度和压力
相反，受激光辐照的材料通过脉冲激光迅速加热，直接达到高动能的蒸气相，而无需通过熔化点温度
换句话说，材料剥离将通过蒸发而不产生剥离区域上的溅渣层
剥离区域非常精确和平滑，几乎没有观察到明显的热影响区（HAZ）
高热导率的目标材料对飞秒激光剥离过程非常重要，因为它们具有稳定的性质和化学组成的剥离区域
对于超快激光，激光束的能量沉积发生的时间尺度相对于原子弛豫过程来说非常短
在激光能量被电子吸收后，会产生冷离子，从而在激光脉冲的末端发生热化过程
此外，飞秒激光的强度非常高，足以驱动目标材料中高度非线性的吸收过程，而这些吸收过程通常是激光波长无法吸收的
在这种高强度下，多光子电离变得相当强烈
由于飞秒激光光子的高通量，多个光子会发生碰撞并形成束缚电子，这就是多光子电离过程
当吸收的总光子能量超过电离势时，束缚电子将吸收多个光子
结果，束缚电子从价带中释放出来
多光子电离过程在非常高的激光强度下更为明显
当激光强度（光子通量）超过10^13 W/cm^2时，多光子电离变得非常强烈，并且在高能带隙材料或宽能带隙材料中，不需要种子电子来启动电离
激光脉冲宽度是激光烧蚀过程中的一个重要参数
对于材料的烧蚀，长脉冲持续时间(纳秒激光)和超短激光脉冲持续时间(飞秒激光)之间存在相当大的差异
在纳秒激光烧蚀过程中，激光脉冲期间会产生等离子体，但在飞秒激光烧蚀过程中，等离子体会在激光脉冲结束后产生
在纳秒激光烧蚀期间，等离子体是脉冲持续时间的一部分，因此脉冲用于重新加热等离子体
这导致纳秒激光烧蚀的等离子体比飞秒激光烧蚀的等离子体具有更高的持久性
由于激光束在材料加工和纳米颗粒生产方面的独特性质，已经在液体环境中使用脉冲激光进行烧蚀
不同材料对不同激光脉冲持续时间的响应不同，因此对于微米和纳米材料加工，缺乏最佳激光参数的知识
为了实现更高的质量和生产率，需要对不同激光脉冲持续时间进行严格比较
飞秒和皮秒激光在精密材料加工方面表现出优越性
尽管飞秒和皮秒激光的脉冲持续时间很短，但它们被发现比持续时间更长的激光更有效地用于纳米颗粒的生产
最后，激光波长在纳米颗粒的生成中起着重要作用，飞秒激光烧蚀微米和纳米材料的优点是由于与固体靶材料的非热相互作用