CO_2
激光
PI
薄膜
温度
应力
仿真
分析
张华忠
收稿日期:2022-09-03基金项目:国家自然科学基金面上项目(11972313);四川省通用航空器维修工程技术研究中心项目(GAMRC2021YB12);中国民用航空飞行学院重点项目(ZJ2021-04)通信作者:钟勉,副教授,博士,主要从事柔性传感器方向研究。E-mail:mianzhong 电子元件与材料Electronic Components and Materials第 42 卷Vol.42第 5 期No.55 月May2023 年2023CO2激光直写 PI 薄膜温度、应力场仿真与分析张华忠1,李世琛1,钟 勉1,2,邹 瑶1,蒋 勇3(1.中国民用航空飞行学院 航空电子电气学院,四川 广汉 618307;2.中国民用航空飞行学院 民航智能感知与先进检测技术研究所,四川 广汉 618307;3.西南科技大学 数理学院,四川 绵阳 621010)摘 要:CO2激光直写诱导碳基前驱体生成石墨烯过程中,温度与应力是影响石墨烯生成质量的主要因素。利用COMSOL Multiphysics 仿真软件,建立连续 CO2激光作用于聚酰亚胺(PI)薄膜温度场与应力场模型,研究激光功率、光斑直径、扫描速度对平均升温速率()及热应力的影响,并根据石墨烯生成温度阈值与薄膜受损温度阈值筛选出合理参数范围。仿真结果表明:在重复扫描策略下,薄膜正面平均升温速率 1与激光功率呈线性正相关关系,与光斑直径呈指数下降关系,与扫描速度呈幂函数单调递减关系,1的较优范围为93.6 /s1147.8 /s;背面平均升温速率 2与激光功率呈线性正相关规律,与光斑直径呈二次函数单调递减规律,与扫描速度呈线性负相关规律,2的较优范围为 69.5 /s286.9 /s。激光功率是影响热应力的主要因素,仿真结果与结论可为 PI 薄膜激光诱导石墨烯研究提供参考。关键词:CO2激光直写;PI 薄膜;COMSOL Multiphysics;温度场;应力场中图分类号:TN249文献标识码:ADOI:10.14106/ki.1001-2028.2023.1629引用格式:张华忠,李世琛,钟勉,等.CO2激光直写 PI 薄膜温度、应力场仿真与分析 J.电子元件与材料,2023,42(5):560-567.Reference format:ZHANG Huazhong,LI Shichen,ZHONG Mian,et al.Simulation and analysis of temperature andstress field of direct-written PI films by CO2laser J.Electronic Components and Materials,2023,42(5):560-567.Simulation and analysis of temperature and stress field of direct-writtenPI films by CO2laserZHANG Huazhong1,LI Shichen1,ZHONG Mian1,2,ZOU Yao1,JIANG Yong3(1.Institute of Electronic and Electrical Engineering,Civil Aviation Flight University of China,Guanghan618307,Sichuan Province,China;2.Institute of Civil Aviation Intelligent Sensing and Advanced Detection Technology,Civil Aviation Flight University of China,Guanghan 618307,Sichuan Province,China;3.School of Mathematics andPhysics,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,Sichuan Province,China)Abstract:Temperature and stress are the main factors affecting the quality of graphene formation in the process of carbonbased precursor formation,which is induced by CO2laser direct-written.The COMSOL Multi-physics simulation softwarewas used to establish the temperature and stress field model of polyimide(PI)film,which was treated by continuous CO2laser.The effects were studied for laser power,spot diameter,scanning speed on average heating rate()and thermal stress.The reasonable parameter range was screened out according to graphene generation and film damage temperature threshold.The simulation results show that the average heating rate of the front of the film(1)is linearly and positively correlated withthe laser power,which exponentially decreases with the spot diameter,and monotonically decreases with the scanning speedunder the repeated scanning strategy.The optimal range is 93.61147.8(/s).The average heating rate on the back张华忠,等:CO2激光直写 PI 薄膜温度、应力场仿真与分析(2)is linearly and positively correlated with the laser power,monotonically decreased with the spot diameter as a quadraticfunction,and linearly and negatively correlated with the scanning speed.The optimal range is 69.5286.9(/s).Thelaser power is the main factor affecting the thermal stress.The simulation results and conclusions can provide reference for thestudy of laser induced graphene fabrication on PI films.Keywords:CO2laser direct-written;PI film;COMSOL Multiphysics;temperature field;stress field 石墨烯是一种单层二维蜂窝状晶格结构材料,因其具有优良的柔性、导热性和导电性等特性在柔性传感器、健康医疗、可穿戴设备等领域展现出巨大的应用潜力和应用前景1-2,受到了越来越多研究团队的关注。2004 年,石墨烯首次被发现,Novoselov 等3通过对石墨进行热解并重复剥离制备出单原子层石墨烯片。此后,又有团队探究出气相沉积法4-5、氧化还原法6-8、SiC 外延生长法9-11等制备石墨烯的方法。2014 年,Jame 团队12发现在大气条件下可通过CO2激光直写于聚酰亚胺薄膜(PI)的方式制备石墨烯,称为激光诱导石墨烯技术(Laser Induced Graphene,LIG)。这项技术的发现主要基于 Inagaki 团队13利用氧化铝板夹持加热 PI 薄膜研究,研究团队发现薄膜在400700 温度区间内重量显著下降;通过卢瑟福背散射光谱法(RBS)观察薄膜带宽特征,结合薄膜电导率与薄膜中 C、O、N、H 含量变化得到薄膜表面有碳层形成的结论。激光诱导石墨烯生成过程中,薄膜表面同样发生类似变化。PI 薄膜受到激光辐照后发生光热或光化学效应,薄膜中 CH、CO、C=O 和 CN 受影响而断裂,原子重新排列,O、N、H 原子以气体形式扩散至外界环境,C 原子之间结合形成石墨烯结构。其中激光参数是影响两种效应的关键因素,较长波长的激光主要产生光热效应,较短波长的激光主要产生光化学效应,扫描路径、激光功率、光斑直径、扫描速度等参数主要影响薄膜表面温度和应力变化,从而影响石墨烯生成质量。激光诱导石墨烯技术可实现以原位、一步和可扩展的方式制备具有良好物理化学性能的石墨烯,相比于传统的制备工艺,具有衬底选择广、成本低、绿色环保、集成度高、单步制备的优势,具有良好的市场前景。近年来,激光诱导石墨烯相关研究中使用的激光波长有红外光、近红外光与紫外光波段。应用最为广泛的是波长为 10.6 m 的 CO2激光,其中激光参数组合区间激光功率为 1.327.2 W,光斑直径为 50190m,扫描速度为16250 mm/s,使用该激光器制备出温度、压力、流速传感器,柔性电子皮肤,智能防化服等产品,基底材料从聚合物扩展至天然材料14-21。波长为 1030,1060,800 nm 的飞秒脉冲激光和 355,405 nm 波长的紫外脉冲激光器在该领域的应用占有一定比例,研究团队22-29使用该类激光器制备出超级电容、化学、湿度、导电电路、皮肤电子器件、机电应变等传感器。激光诱导石墨烯技术在电子元件制备领域展现出巨大发展潜力,目前技术成熟、成本较低、工作稳定的 CO2激光器成为了激光诱导石墨烯技术的首选,但激光参数组合的选择一直是此领域的重点和难点。韩会等30分析了激光扫描策略对 304 不锈钢表面温度和应力的影响,得到螺旋往复扫描路径产生的热影响区、残余应力相对较小的结论。Chyan 等15通过改变激光离焦量从而改变光斑重叠率,得到激光重叠率的增大可有效提升石墨烯生成质量的结论。部分研究团队12,15,21还在制备过程中探究了激光功率、光斑直径、扫描速度等单个参数的变化对石墨烯生成质量及微观结构的影响,但仅仅是从结果层面导向性地分析参数影响效果,而并未着重从成因层面对激光参数的影响效果和规律进行探究,也未对参数组合进行总结和筛选,导致制备过程依旧存在繁琐复杂的参数组合探寻步骤,因此有必要系统地对激光参数影响效果进行分析和总结。本文采用 COMSOL Multiphysics 软件模拟连续CO2激光器作用于 PI 薄膜产生的光热效应过程,从温度及热应力角度分析不同激光参数对激光作用效果的影响规律,探究连续 CO2激光不同参数对基底材料产生的温度和热应力的影响,结合参考文献中 10.6 m波段激光的参数范围,对激光功率为 37 W,光斑直径为 50200 m,扫描速度为 50200 mm/s 区间内的组合进行筛选,获得不损伤基底且能诱导生成石墨烯的激光参数范围,为连续 CO2激光作用 PI 薄膜诱导生成石墨烯研究提供激光参数的参考。1 理论基础与模型1.1 激光基础理论激光光束沿 Z 方向传播,光束在 XY 界面上呈高斯分布,在 Z 轴方向呈双曲线分布,其在每个横界面165电子元件与材料上的光强分布可以用下式表示:I(r)=I0e-2