北京工业大学黄婷研究员：光织铜阵，协同转承 | 中国激光·专题封面

为进一步推动激光微纳制造领域的发展，促进学术交流与技术创新，《中国激光》推出“激光微纳制造Ⅱ”专题，旨在系统展示该领域近年来在新机制、新方法、新工艺和新应用方面的研究进展。（点击查看专题网页）。

北京工业大学黄婷研究员团队的文章被遴选为封面文章。文章围绕前驱体油墨设计与扫描路径规划开展了系统研究，重点揭示材料配方、气泡行为和能量沉积方式对阵列成形质量的耦合作用，进而实现柔性基底上高完整性、高一致性、低方阻铜阵列的可控制造。

封面解读

封面以一分为二的齿轮为核心，呈现飞秒激光还原直写铜阵列图案的一致性优化策略。飞秒激光诱导前驱体油墨发生选择性光热还原，在柔性基底表面形成金属铜阵列图案。齿轮左侧的网状结构与气泡，寓意还原剂及油墨粘度对副产物气体生成、分布及图元完整性的调控作用；右侧铜阵列与扫描轨迹，则象征扫描路径规划对整体变形和气体逸出路径的影响。左右两半齿轮缺一不可，二者协同作用使整个齿轮顺畅转动。封面表达了前驱体油墨设计与扫描路径规划的协同作用，二者协同对实现柔性基底上大面积、高一致性铜阵列的可靠制造具有重要意义。

全文链接：乔祥凌, 崔梦雅, 刘通, 张开虎, 黄育欣, 肖荣诗, 黄婷. 飞秒激光还原直写铜阵列图案一致性优化研究（特邀）[J]. 中国激光, 2026, 53(12): 1202401

01. 研究背景

在通信、导航等领域，通常需要在柔性电介质基底表面制备金属阵列图案，以实现导电互联与信号传输。若金属阵列图案存在局部缺失、几何尺寸偏差或电阻波动，将导致信号完整性劣化，甚至影响器件的整体可靠性。

飞秒激光还原直写技术具备无掩模、非接触及高空间分辨率等优势。该技术利用精密控制的激光束沿预设轨迹在电介质基底表面扫描，诱导前驱体油墨发生局部光热还原反应，从而选择性沉积金属功能图案（图1）。

图1 飞秒激光还原直写原理及结果

然而，在柔性基底上制备大面积阵列图案时，阵列一致性仍是制约其工程应用的关键瓶颈。一方面，还原过程中副产物气体的不可控生成与迁移会直接导致图元残缺及电阻波动；另一方面，扫描路径决定了激光能量的空间沉积、热累积及应力分布特征，进而影响基底变形与阵列均匀性。

02. 创新工作

针对飞秒激光还原直写铜阵列中存在的图元残缺、方阻波动和一致性不足问题，北京工业大学黄婷研究员团队围绕前驱体油墨设计与扫描路径规划开展了系统研究，重点揭示材料配方、气泡行为和能量沉积方式对阵列成形质量的耦合作用，进而实现柔性基底上高完整性、高一致性、低方阻铜阵列的可控制造。

通过比较乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮两类典型还原剂，发现二者不同的热分解路径会显著影响铜离子的还原温度和光热转化效率。乙二醇体系能够在较低温度下形成有效还原性中间产物，并具有更好的激光能量利用能力，因此更有利于提高铜离子的还原程度和金属铜含量，同时降低加工所需能量，为柔性基底上的稳定直写提供了更适宜的前驱体体系。

在此基础上，团队进一步研究了油墨粘度对副产物气体行为的调控作用。结果表明，油墨粘度需要在气体逸出和油墨流动之间取得平衡（图2）。粘度过低时，气泡容易迁移和汇聚，导致局部区域缺少前驱体油墨；粘度过高时，气体难以及时扩散，滞留在加工区域并诱发图元缺陷。通过调控油墨粘度，可有效改变气体的生成量、迁移路径和空间分布，从而提高图元完整性和阵列导电一致性。

图2 前驱体油墨粘度对阵列图案的影响

在扫描路径规划方面，研究人员设计了三种典型策略，发现不同路径对热累积和基底变形具有显著影响，同时会影响副产物气体在阵列内部的扩散与汇聚过程（图3）。单图元连续加工策略虽然会带来较明显的整体热变形，但能够为相邻图元之间的气体扩散提供时间窗口，减弱图元间的相互干扰，因而获得更好的图案完整性和电性能一致性。

图3 不同扫描路径对阵列图案的影响

通过前驱体油墨和扫描路径的协同优化，本研究在25个图元阵列上实现了0.15±0.02 Ω·sq⁻¹的平均方阻和96%的图元完整性。研究结果揭示了影响柔性基底铜阵列一致性的关键因素，为大面积、高一致性金属阵列的激光直写提供了工艺参考。

03. 工作展望

后续工作将聚焦以下方向：（1）面向大面积、高效率制造，发展并行直写与随行置料技术；（2）将该方法拓展至多层结构的逐层制造；（3）结合天线、传感器等应用，系统评估金属阵列在动态弯折、冷热交变等环境下的长期服役可靠性。

北京工业大学智能光子制造研究所面向国家和首都经济与社会发展重大需求，长期从事激光先进制造技术的原始创新和工程化应用研究，承担包括国家科技重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目等一批科研项目，研究成果在航空航天、轨道交通等领域应用，牵头获得省部级科技一等奖1项、二等奖3项，获批教育部联合基金创新团队。

黄婷，北京工业大学研究员，博士生导师，教育部联合基金创新团队（项目）负责人，入选青年北京学者计划。兼任中国光学学会激光加工专业委员会副秘书长，中国机械工程学会特种加工分会副秘书长。主要从事激光焊接、增材制造和精密加工研究，在ACS Nano、Mater. Sci. Eng. A、J. Mater. Process. Technol.、Sci. Technol. Weld. Joi. 等国内外学术期刊发表论文80余篇，参编专著3部，获授权国家发明专利20余项、国际专利3项，研究成果在航天和新能源领域应用，牵头获得北京市科技发明二等奖。2024年起担任亚洲光电子国际会议激光先进制造会议共主席。

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《中国激光》是全面报道激光技术领域最新研究成果的旗舰级中文学术期刊（半月刊）。目前被EI、ESCI、AJ、CA、INSPEC、Scopus、CSCD等收录。中国科学院期刊分区表2区（2025）。根据《中国科技期刊引证报告》显示，《中国激光》综合评价总分在本领域内连续多年排名第一。17次被评为“百种中国杰出学术期刊”（获得次数最多的光学期刊）、6次入选“中国精品科技期刊”、2次荣获“百强报刊”称号，并多次获得“中国最具国际影响力学术期刊”和“中国国际影响力优秀学术期刊”等荣誉。2021年荣获“第五届中国出版政府奖”期刊奖提名奖。2022年入选《光学工程和光学领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”。2024年入选中国科技期刊卓越行动计划项目——领军期刊。

科学编辑 | 北京工业大学 黄婷

编辑 | 沈灵灵

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