曲面印刷微纳结构光子器件

纳米印刷作为一种新的微纳制造技术，以印刷调控功能材料精确组装为基础，通过对印刷墨滴在干燥过程中咖啡环效应、瑞利不稳定性及马拉格尼效应等的深入研究和突破，突破传统印刷技术的局限和精度极限，具有图案精度高、适用材料广、可构筑三维纳米结构、可实现多种材料套印等特点。近日，中国科学院化学研究所的宋延林研究员及其团队与苏黎世联邦理工大学合作，通过完全非光刻的微米模板在复杂曲面印刷制备了单纳米颗粒精度的微纳米结构，并结合格子 Boltzmann模型理论，分析了曲面液体内Laplace压差引导纳米颗粒的组装行为，并验证了曲面光子器件的光波导及光致发光特性。

近年来，高度集成化器件的快速发展，打破了传统平面器件模型的限制，亟需提高在复杂的表面上构筑精细微纳结构的能力。其中，作为光学接口的3D波导纳米结构是纳米光子应用的基本单元，光子元器件要被集成在芯片的有限区域乃至复杂曲面上。基于液相纳米颗粒的自组装已成为构筑微纳结构光子器件的重要方法。但是，传统自组装过程需要复杂的化学修饰过程或光刻微模板，引导纳米材料组装形成所需图案化阵列结构。此外，由于不连续的气-液-固接触线和Laplace压差，曲面基底上的流体行为非常复杂，液体内功能纳米材料的组装行为更加难以精确控制。因此，在曲面上实现具有精确形貌和组分微纳米结构的设计与制造，对于新型结构光电器件的发展具有重要意义。

中国科学院化学研究所团队提出了一种完全非光刻的纳米印刷曲面微纳结构策略，阐明了纳米粒子在弯曲液体介质中组装的调控机制以及曲面光子器件的工作原理，建立了一种简便制备微米精度柔性印刷模板的通用方法（图1a）。他们系统地研究了印刷微模板诱导的流体动力行为和纳米功能材料的自组装过程（图1b），实现了单纳米颗粒精度微纳结构的可控灵活制备，能够在曲面上进行光子的有效操纵，实现光致发光和光波导。其中，基于两种荧光纳米材料的印刷微纳结构，显示了明显差异化的光致发光特性（图1c）；基于纳米粒子组装的光子结构展示了曲率依赖的多波长传输和发射特性，在光子通信和彩色全息图领域具有广泛的应用前景（图1d）。这种完全非光刻的曲面印刷策略，还可以通过多次套印实现多种材料纳米结构的有效构筑，将其功能从平整表面扩展到复杂曲面，为实现复杂空间中的光子操纵和信息传播提供了基础。

图1. 曲面印刷微纳结构光子器件

相关成果发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是中国科学院化学研究所苏萌副研究员和苏黎世联邦理工大学秦飞飞博士，通讯作者是宋延林研究员和苏萌副研究员。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Non‐lithography hydrodynamic printing micro/nanostructures on curved surfaces

Meng Su, Feifei Qin, Zeying Zhang, Bingda Chen, Qi Pan, Zhandong Huang, Zheren Cai, Zhipeng Zhao, Xiaotian Hu, Dominique Derome, Jan Carmeliet, Yanlin Song

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202007224

导师介绍

宋延林

https://www.x-mol.com/university/faculty/15559