【科技前沿】第6期：低成本多功能纳米/微米复合结构制备技术进展

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受蛾眼结构（Nature 244 (1973) 281–282）启发而来的纳米仿生结构具有多方面的优异性能，如表面自清洁、抗反射、大比表面积等，可广泛地应用到照明、显示、光伏、传感等国民生活息息相关的各个领域。然而该纳米结构的特征尺寸往往在100nm以下，其所依托的高分辨加工技术如压印（Imprint）和极紫外光刻（EUV），设备价格高昂且存在禁运限制（高端光刻机价格达数千万元甚至更高或禁运）。此外，光刻掩模板或压印模板的制备也依赖于高昂的电子束光刻（EBL）技术。例如，对于一块特征尺寸为300nm的3英寸光子晶体（PC）模板，EBL加工成本高达数十万元。如果需要进一步制备更高性能的纳米/微米复合结构，则成本将成倍增加。对高昂设备的依赖，极大地限制了现有纳米加工技术在相关领域的推广和应用。

图1.研究成果论文沙巴足球（中国）股份有限公司官网截图

近年，我校信息与通信学院李海鸥教授团队与北京大学、广西科技大学等单位联合攻关，在这一卡脖子制备技术上取得了突破性进展。基于Al谷粒尺寸限制的制备方式，采用简单的两步阳极氧化，即可实现纳米/微米复合结构的尺寸可控制备。团队成员广西“八桂青年学者”孙堂友博士的研究成果以“Wafer-scale high anti-reflective nano/micro hybrid interface structures via aluminum grain dependent self-organization”为题，发表于国际权威学术期刊《Materials& Design》（IF=7.991，论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108960）

图2.纳米/微米复合结构制备转移流程图

图2为纳米/微米复合结构制备工艺流程图。首先在Si衬底表面沉积一层微米级Al薄膜，通过控制电子束蒸发（EBE）工艺相关参数和Al膜厚度，实现Al谷粒尺寸的可控生长，所生长Al谷粒具有微米级横向尺寸，且工艺可调（图2a~2b）。由于Al谷粒的存在，谷粒边界和块体部分的电流通过性不同，从而实现后续阳极氧化生长速率的非均匀调控，得到微米级的表面起伏以及纳米孔洞结构（图2c）。在实际的应用中，往往需要将纳米结构转移至目标器件表面。该究提出基于PDMS的两步旋涂法进行结构的复制制备：首先采用稀释后的PDMS对纳米孔洞进行填充，稀释后的PDMS具有较高的流动性，在抽真空环境下可以尽快的排出纳米孔内的空气，从而实现100%的填充效果（图2d）；较厚的高黏度PDMS作为底部支撑层，增强所复制结构的机械性能（图2e）；最后采用湿法的方式获得所需的纳米/微米PDMS复合结构（图2f）。作为可选方案之一，也可以经由纳米压印（Nano imprint lithography, NIL），将所需的纳米/微米复合结构转移至其他材料的表面，从而实现相关的应用。

图3.纳米/微米复合结构LED增透性能研究

作为具体的应用之一，该研究论证了所制备纳米/微米结构在LED器件上的增透性能（图3）。当所考虑的纳米结构满足D<λ/n（其中λ为所考虑的光波长，n为所考虑材料的折射率）时，该结构不能被光波所识别，而会认为其具有均匀的折射率，从而可以将纳米/微米复合结构中的纳米结构层采用λ/4薄膜模型代替，进而优化底部的微米结构尺寸，获得最优的设计。所设计最优尺寸下纳米/微米复合结构LED的出光效率，相较于传统LED结构，提升可达3倍以上。

该研究成果可进一步与滚筒纳米压印技术相结合，从而在手机、汽车、能源等领域产生巨大的经济价值。