國家納米中心發(fā)明“平面打印，立體成型”微納加工新方法

　　表面微納結(jié)構(gòu)已經(jīng)在微電子、半導(dǎo)體、太陽能電池、發(fā)光二極管、等離子基元、仿生材料、超材料、細胞生物學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，極大地推動了表面科學(xué)與工程的進展。隨著人們對各種表面新奇特性研究的深入，各種新型表面結(jié)構(gòu)不斷被提出。這些新型的結(jié)構(gòu)，特別是復(fù)雜的多級次表面結(jié)構(gòu)對微加工技術(shù)在成本、工藝、批量生產(chǎn)、精準(zhǔn)設(shè)計和可控加工等方面提出了許多新的挑戰(zhàn)，目前的常規(guī)微納加工方法已經(jīng)難以滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工需要。近十多年來，新型微加工方法的研究獲得長足進展，各種巧妙的方法不斷涌現(xiàn)，如：納米球光刻、晶界光刻、嵌段共聚物微相分離法、礦物沉積仿生微結(jié)構(gòu)、應(yīng)力應(yīng)變微結(jié)構(gòu)等?；趹?yīng)變的方法由于可以低成本、大面積制造微結(jié)構(gòu)，已經(jīng)被認(rèn)為是一種非常有前景的新方法，去年發(fā)表在《科學(xué)》上的相關(guān)文章進一步印證了這一觀點(Science 2015，347 154-159)。中國科學(xué)院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心和國家納米科學(xué)中心的劉前課題組長期致力于新概念加工方法的研發(fā)工作，創(chuàng)新性地提出了激光誘導(dǎo)模量調(diào)控的應(yīng)變誘導(dǎo)的新思路，并取得了一系列的研究成果（Adv. Mater. 2012, 24, 3010-3014; Nanoscale 2012, 4, 1545-1548; Nanoscale 2013, 5, 8351–8354）。最近，該課題組發(fā)展了一種“2D打印，3D成型”的新技術(shù)，可用來制備各種復(fù)雜的三維表面結(jié)構(gòu)。該法具有工藝簡單、成本低、可精準(zhǔn)設(shè)計和可控加工、易于大批量制造、與成熟的平面制造工藝相兼容等優(yōu)點。

　　一般來講，當(dāng)一個激光脈沖打在一個下軟上硬的雙層薄膜上時，被激光打過的點會發(fā)生一個微小的結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致該點模量的改變，進一步對其加熱至下層材料的玻璃化溫度附近， 則在此點會發(fā)生一個乳突狀塑性形變結(jié)構(gòu)。以此點狀應(yīng)變結(jié)構(gòu)作為“激光誘導(dǎo)基本單元”，則任意復(fù)雜的結(jié)構(gòu)都可以通過“激光誘導(dǎo)基本單元”疊加實現(xiàn)。更有趣的是，這樣“激光誘導(dǎo)基本單元”可以用一個機械波的阻尼函數(shù)精準(zhǔn)地描述，從而這樣的點之間的相互作用則服從機械波的疊加原理，這意味著可以解析設(shè)計任意的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)精準(zhǔn)的設(shè)計。也就是說，對任意所需的立體結(jié)構(gòu)通過數(shù)學(xué)逆變換可以獲得其平面打印結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的簡單加工。此外，由于“激光誘導(dǎo)基本單元”可受到加熱溫度、加熱時間、激光功率、激光脈寬、材料組成等多因素的調(diào)控，為在實驗上實現(xiàn)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)提供了多自由度靈活調(diào)控手段。這樣的方法將一個復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)加工轉(zhuǎn)化為一個簡單的平面制造問題，大大簡化了制造工藝并可實現(xiàn)復(fù)雜多級次結(jié)構(gòu)的低成本、可設(shè)計、大面積和高度可控制造。與目前主流“減材”制造加工技術(shù)（自上而下）和流行的“增材”3D打印技術(shù)相比，該方法“既不增材，也不減材”，更加綠色。

　　在這個工作中，一種復(fù)雜的三維微透鏡陣列（每個透鏡由中間的凸透鏡和邊緣的凹透鏡以及六個二級微小凸透鏡組成）也被展示，這種結(jié)構(gòu)是通過激光打印的平面蜂窩結(jié)構(gòu)加熱形成，它可以在不同的位置成實像和虛像。進一步研究表明，以此復(fù)雜浮雕結(jié)構(gòu)作為投影光刻模板，可以在不同像面上產(chǎn)生數(shù)百個猶如萬花筒般的不同圖像。只使用一個模板就可以制造多種不同的光刻圖案，為解決日益飛升的掩模版成本問題提供了一條全新的思路。

　　該工作以Kaleidoscopic imaging patterns of complex structures fabricated by laser-induced deformation 為題已發(fā)表于12月2日的《自然-通訊》（Nature Communications 2016, 7, 13743）。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃納米科技重點專項以及中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、國家基金委和歐盟項目的支持。

　　圖：多級次復(fù)雜結(jié)構(gòu)透鏡陣列的設(shè)計與制備