摘要
各向异性分布的微纳结构能够提高或赋予材料表面特殊的功能。随着表面工程领域和微纳加工领域的不断发展，功能表面的研究热点从单一功能的实现逐渐发展为对于实现多功能复合表面的研究。其中各向异性微纳结构表面在多功能复合表面的设计与实现方面具有重要的应用价值。激光干涉光刻技术（Laser interference lithography，LIL）由于其高度灵活性、高度可控且低成本的优点，是最具应用前景的微纳加工技术之一。 本文将基于激光干涉的理论基础，研究多光束干涉场光强分布特性、调控规律和制备技术特点。通过建立干涉场光强的空间分布模型、微纳结构表面空间分布分析模型以及各向异性评价模型，对各向异性微纳结构表面的可控制备开展研究。提出改进双光束 LIL 系统的方法，实现从微米直接跨越到毫米特征尺度的跨尺度制备，获得兼具微米和毫米周期的复合结构，并结合双曝光技术实现跨尺度各向异性微纳结构表面的可控制备。基于 LIL 技术，通过研究润湿性的可控转化方法，实现各向异性润湿表面的可控制备，并结合各向异性微纳结构表面研究拓扑形貌对 SH-SY5Y细胞生长的调控作用。本文主要完成的工作和取得的成果如下： 1）多光束干涉场的光强分布特性及LIL制备技术的研究 基于麦克斯韦方程组对多光束干涉场的原理进行分析，研究入射光空间角、偏振态和入射角对于干涉场光强分布周期、光强、空间分布方向和对比度影响。构建多光束 LIL系统，分析直接和间接 LIL技术在微纳结构表面的制备中与材料的相互作用，为论文的研究提供理论基础和制备手段。 2）各向异性微纳结构表面的可控制备研究 利用傅里叶变换（Fourier transform）建立干涉场光强空间分布模型，从理论上分析光强空间分布与频谱的对应关系。提出利用快速傅里叶变换（Fast Fourier transform，FFT）和高斯拟合算法（Gaussian fitting）建立微纳结构表面空间分布分析模型和各向异性评价模型的方法。利用建立的模型，通过对微纳结构表面的特征参数分析和计算，推算入射角和空间角等制备参数，对结构的制备误差和 LIL 系统的搭建误差进行检测和校正，实现各向异性微纳结构表面的可控制备。 3）跨尺度各向异性微纳结构表面的可控制备研究 基于各向异性微纳结构表面的分析和评价模型，研究双光束双曝光技术的旋转角度和能量参数对结构分布、结构形状以及各向异性的影响。为突破 LIL 技术中光源和光学系统对于宏观尺度周期结构制备的约束，提出对双光束 LIL 系统的改进方法，实现对宏观Moiré条纹尺寸的调控。利用宏观Moiré条纹和双光束双曝光技术，实现跨尺度各向异性微纳结构表面的可控制备。 4）各向异性润湿表面及其对SH-SY5Y细胞生长的调控研究 基于LIL直写技术加工的图案化Ti-6Al-4V合金表面，提出了高效、稳定和良好生物相容性的各向异性润湿性调控方法。该方法通过研究低真空处理对表面非极性有机分子吸附的调控作用和高真空处理对表面稳态形成的加速作用，实现表面低真空吸附2 - 8 h内的润湿性可控转化和各向异性润湿表面的可控制备。通过研究各向异性二维阵列结构表面和一维链条结构表面对SH-SY5Y细胞生长形态及突触伸长生长的调控规律，揭示了各向异性微纳结构表面及其各向异性润湿性对细胞极性生长的引导作用。
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