中科院化學所宋延林和蘇萌Angew. Chem. Int. Ed.：液滴操控曲面印刷微納光子器件

tt 3年前 (2020-07-25) 3888瀏覽

【引言】

先進的微納制造技術為納米光子器件、光電探測器、太陽能電池和超材料等領域的發展提供了巨大空間。同時，高度集成化器件需要在復雜的表面制造精細的微納結構。近年來，基于光刻或自組裝的微納制造技術快速發展，設計制備的復雜微結構拓展了光電器件的應用領域。其中，金屬或介電功能納米材料的圖案化成為制造大規模光子器件陣列的關鍵之一。例如三維波導納米結構作為納米光子應用（包括傳感器和成像）的基本互連單元，需要集成在芯片的有限區域乃至復雜曲面上。

液相自組裝納米顆粒的方法是一種自下而上的微納結構制造方式，可以在彎曲或平面基底上實現多種微納結構的有效構筑。然而，在異形表面實現納米粒子在液體介質中的自組裝，從而構建高精度單組分或異質結構，仍然是一個亟待解決的難題。特別是由于不連續的氣-液-固接觸線和Laplace壓差，曲面上的流體行為是一個非常復雜的過程。因而在曲面上實現具有精確形貌和組分的微納米結構的設計與制造，對于新型結構光電器件的發展具有重要意義。

【成果簡介】

??????? 納米印刷是一種新的微納制造技術，通過調控納米印刷墨滴蒸發過程中多種物理過程，研究液滴浸潤行為與功能材料可控組裝的關系與規律，可實現基本單元高精度印刷制備，具有適用材料廣、適用套印多種材料等特點。但是，在復雜曲面上，由于不連續的氣-液-固接觸線和Laplace壓差，液體內功能納米材料的組裝行為難以精確控制。在這個研究工作中，中科院化學所宋延林和蘇萌通過模板誘導的液滴操控納米印刷和納米粒子自組裝相結合的策略，在三維曲面上實現了曲面印刷微納光子器件。他們闡明了納米粒子在彎曲液體介質中組裝的調控機制以及曲面光子器件的工作原理，建立了一種簡便制備微米精度柔性印刷模板的通用方法。通過格子玻爾茲曼模型（LBM）進行的理論分析揭示了液滴操控組裝過程的基本原理。基于兩種熒光納米材料的印刷微納結構，顯示了明顯差異化的光致發光現象，并在3D彎曲空間中展示了光波導特性。他們制備了具有單納米顆粒印刷精度的多組分微/納米結構，將微納結構的印刷制備從平整表面擴展到復雜曲面，為光子操縱和信息傳播在復雜空間環境中的應用提供了通用策略。該成果以題為“Non-lithography hydrodynamic printing micro/nanostructures on curved surfaces”發表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

【圖文導讀】

圖1.多種曲率半徑表面上印刷微納結構策略

a）曲面印刷微納結構示意圖

b）格子玻爾茲曼模型（LBM）模擬液體（藍色）操控印刷和納米粒子（黃色）自組裝行為

c）復雜曲面上的聚苯乙烯納米顆粒（PSNPs）微納陣列的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像

d）曲率依賴的顯色微納光子結構示意圖和光學顯微鏡圖像

圖2.曲面印刷過程及機理

a）將納米顆粒懸浮液加到柔性模板上，隨著液滴蒸發，氣-液-固界面收縮，功能性納米顆粒模板誘導下自組裝形成微納結構

b）共聚焦顯微鏡圖像顯示，納米顆粒懸浮液在曲面上收縮成型的不同階段（I, II, III）

c）與圖b相對應的LBM模擬曲面印刷過程

d）在曲面印刷I或III階段捕獲的熒光圖像，以及對應的熒光強度分析圖，顯示了液滴隨著蒸發而變窄并說所成型的過程

圖3.曲面印刷單納米顆粒精度微納結構相圖

a）具有PSNP組裝不同微納結構的SEM圖像

b）單納米顆粒精度微納結構相圖

c）在一系列不同直徑圓柱曲面上熒光納米粒子組裝結構的共聚焦顯微鏡圖像

圖4. 多材料復合微納結構與曲面光波導測試

a）通過兩步印刷工藝的雙組分異質納米顆粒組裝結構的共聚焦顯微鏡圖像：同時由561 nm和640 nm激光激發，分別由561 nm激光（綠色通道）和640 nm激光（紅色通道）激發

b）曲面光子結構的光波導和光致發光特性

c）曲率依賴的曲面光子結構顯色示意圖及入射角度差異說明

d）隨著曲面上不同位置處入射光和觀察方向之間的夾角變化，納米結構光學顯微鏡圖像顯示了從綠色到黃色和紅色的衍射色轉換。

【小結】

這個工作結合LBM仿真的數值分析報道了一種非光刻的曲面印刷光子結構器件的通用策略。實現了直徑2-10 mm的圓柱曲面上印刷制造單納米顆粒精度微納結構陣列，并建立了曲面印刷微納結構相圖。通過多次套印實現了紅色和綠色熒光納米材料的復合微納結構，在曲面上顯示了差異化的光致發光特性。此外，基于納米粒子組裝的光子結構展示了曲率依賴的多波長傳輸和發射特性，為光子操縱和信息傳播在復雜空間環境中的應用提供了科學基礎。

文獻鏈接：Non-lithography hydrodynamic printing micro/nanostructures on curved surfaces. Angew.Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202007224

本文由tt供稿。?

團隊介紹：

宋延林，中國科學院化學研究所研究員，杰青，長江學者特聘教授。主要從事光電功能材料、納米材料與綠色印刷技術研究。中國材料研究學會、中國印刷技術協會、中國真空學會、中國計算機行業協會常務理事，中國感光學會、中國微米納米技術學會理事，中國顆粒學會名譽理事；國際電工協會印刷電子工作組專家。已發表SCI 收錄論文360余篇，被他人引用16,000余次，并多次被Nature, Sciecne, 美國化學會（ACS）、英國皇家化學會（RSC）等作為研究亮點報道。主持和參加編寫英文專著10 部，中文專著2部；獲授權中國發明專利100余項，美國、日本、歐盟、韓國等授權發明專利24項。獲 2008年和2005 年國家自然科學二等獎，2016年北京市科學技術一等獎。

蘇萌，中國科學院化學研究所副研究員，中國科學院青年創新促進會會員，系統研究了綠色印刷液滴操控實現功能材料圖案化的新方法，實現了對微納圖案基本單元點、線、面、體的精確控制，近五年共發表論文40余篇，被引600多次。參與起草制定國際電工委印刷電子工作組（IEC＼TC 119）國際標準1項。作為項目負責人主持國家自然科學基金、博士后創新人才支持計劃、博士后科學基金面上資助等項目。

文獻推薦：

  1. Meng Su*, Feifei Qin, Zeying Zhang, Bingda Chen, Qi Pan, Zhandong Huang, Zheren Cai, Zhipeng Zhao, Xiaotian Hu, Dominique Derome, Jan Carmeliet, Yanlin Song*, Non-lithography hydrodynamic printing micro/nanostructures on curved surfaces , Angew. Chem. Int. Ed., DOI:10.1002/anie.202007224
  2. Qi Pan, Meng Su,* Zeying Zhang, Bingda Chen, Zhandong Huang, Xiaotian Hu, Zheren Cai, and Yanlin Song*, Omnidirectional Photodetectors Based on Spatial Resonance Asymmetric Facade via a

3D Self-Standing Strategy, Adv. Mater. 2020, 32, 197280.

  1. Meng Su*, Yali Sun, Bingda Chen, Zeying Zhang, Xu Yang, Sisi Chen, Qi Pan, Dmitry Zuev, Pavel Belov, Yanlin Song*, A fluid-guided printing strategy for patterning high refractive index photonic microarrays, Sci. Bulletin, DOI: 10.1016/j.scib.2020.07.008
  2. Meng Su, Zhandong Huang, Yifan Li, Xin Qian, Zheng Li, Xiaotian Hu, Qi Pan, Fengyu Li*, Lihong Li, Yanlin Song*, A 3D self-shaping strategy for nanoresolution multicomponent architectures, Adv. Mater. 2018, 30, 1703963.
  3. Meng Su, Zhandong Huang, Yong Huang, Shuoran Chen, Xin Qian, Wenbo Li, Yifan Li, Weihua Pei, Hongda Chen, Fengyu Li*, Yanlin Song*, Swarm Intelligence-Inspired Spontaneous Fabrication of Optimal Interconnect at the Micro/Nanoscale, Adv. Mater. 2017, 29, 1605223.
  4. Meng Su, Fengyu Li*, Shuoran Chen, Zhandong Huang, Meng Qin, Wenbo Li, Xingye Zhang, Yanlin Song*, Nanoparticle based curve arrays for multirecognition flexible electronics, Adv. Mater. 2016, 28, 1369.
標簽：
分享到