中国科学院纳米科学卓越中心刘前课题组发展了一种“2D打印,3D成型”的新技术,可用来制备各种复杂的三维表面结构。该法具有工艺简单、成本低、可精准设计和可控加工、易于大批量制造、与成熟的平面制造工艺相兼容等优点。

表面微纳结构已经在微电子、半导体、太阳能电池、发光二极管、等离子基元、仿生材料、超材料、细胞生物学等领域得到了广泛的应用,极大地推动了表面科学与工程的进展。随着人们对各种表面新奇特性研究的深入,各种新型表面结构不断被提出。这些新型的结构,特别是复杂的多级次表面结构对微加工技术在成本、工艺、批量生产、精准设计和可控加工等方面提出了许多新的挑战,目前常规的微纳加工方法已经难以满足复杂结构的加工需要。近十多年来,新型微加工方法的研究获得了长足进展,各种巧妙的方法不断涌现,如:纳米球光刻、晶界光刻、嵌段共聚物微相分离法、矿物沉积仿生微结构、应力应变微结构等。基于应变的方法由于可以低成本、大面积制造微结构,已经被认为是一种非常有前景的新方法,2015年发表在《科学》上的相关文章进一步印证了这一观点(Science [347, 154-159 (2015)])。

中国科学院纳米科学卓越中心的刘前课题组长期致力于新概念加工方法的研发工作。此前,该课题组曾与中科院上海光机所通力合作,研制成功了新概念激光直写系统。该系统利用激光与物质的非线性相互作用提高加工分辨率,达到了超越衍射极限的加工能力(100纳米以下),开启了一条与传统的增加数值孔径或缩短激光波长完全不同的技术途径,并实现了多种受体材料刻写,大大扩展了激光直写的应用范围。基于该新概念激光直写系统,他们创新性地提出了激光诱导模量调控的应变诱导新思路,并取得了一系列的研究成果 (Adv. Mater. [24, 3010-3014, (2012)]; Nanoscale [4, 1545-1548, (2012)]; Nanoscale [5, 8351–8354, (2013)]), 授权美、日、中专利20余项)。在此基础上,他们最近又发展了一种基于激光诱导应变的新型微纳加工方法,成功地将复杂三维制造转换成简单的二维平面制造,大大简化了制造步骤,降低了制造成本。

图1 激光诱导应变基本单元的构建

一般来讲,当一个激光脉冲打在一个下软上硬的双层薄膜上时,被激光打过的点会发生一个微小的结构变化,导致该点模量的改变,进一步对其加热至下层材料的玻璃化温度附近,则在此点会发生一个乳突状塑性形变结构。以此点状应变结构作为“激光诱导基本单元”,则任意复杂的结构都可以通过“激光诱导基本单元”叠加实现。更有趣的是,这样“激光诱导基本单元”可以用一个机械波的阻尼函数精准的描述,从而这样的点之间的相互作用则服从机械波的叠加原理,这意味着我们可以解析的设计任意复杂结构,实现精准的设计(如图1所示)。也就是说,对任意所需的立体结构通过数学逆变换可以获得其平面打印结构,实现复杂结构的简单加工。此外,由于“激光诱导基本单元”可受到加热温度、加热时间、激光功率、激光脉宽、材料组成等多因素的调控,为在实验上实现各种复杂结构提供了多自由度灵活调控手段。该方法将一个复杂的立体结构加工转化为一个简单的平面制造问题,大大简化了制造工艺并可实现复杂多级次结构的低成本、可设计、大面积和高度可控制造。与目前主流“减材”制造加工技术(自上而下)和流行的“增材”3D打印技术相比,该方法“既不增材,也不减材”,更加绿色。

本工作中,一种复杂的三维多级次微透镜阵列(每个透镜由中间的凸透镜和边缘的凹透镜以及六个二级微小凸透镜组成)被展示,这种结构是通过激光打印的平面蜂窝结构加热应变形成,它可以在不同的位置成实像和虚像(如图2所示)。进一步研究表明,以此复杂浮雕结构作为投影立体光刻模板,可以在不同像面上产生数百个犹如万花筒般的不同图像(参见视频)。也就是说,只使用一个模板就可以制造多种不同的光刻图案,这为解决微电子行业掩模板(传统掩模板只能产生一个图案)成本日益飞升问题提供了一条全新的思路。(立体模板的万花筒成像模式视频

图2 多级次复杂结构透镜阵列的设计制备及调控与成像

该工作成果以Kaleidoscopic imaging patterns of complex structures fabricated by laser-induced deformation为题发表在Nature Communications [7, 13743 (2016)]上。相关工作-已被《中国科学时报》作为头版头条加以介绍,中科院网站、中科院北京分院、激光网、研究生招聘网、分析测试网等十多家网站给予报道。该工作得到了国家重点研发计划“纳米专项”项目、中科院战略性先导科技专项A以及国家基金委和欧盟项目的支持。

文章链接:http://www.nature.com/articles/ncomms13743