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【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

作者:发布时间:2021年12月16日 10时18分

【编者按】为了更好地营造校园学术氛围,传播我校学术科研动态,即日起,学校在校园网开辟“科技前沿”专栏,定期总结、回顾学校师生取得的科研成果。欢迎广大师生及时把自己的学术科研成果以邮件的形式告诉我们,我们希望获得您以下成果信息:为政府、企业、媒体进行了专业咨询;科技成果通过了相关鉴定;科技成果落地、实现产业化;发表了高水平的学术论文;获得了专利授权;出版、编著了专著、教材;获得了科技奖励;在重要学术会议上进行了发言……

我们愿意为有学术追求的师生搭建一个交流的平台,希望在师生的努力下,学校的学术氛围日益浓厚,让我们为实现电子信息特色鲜明的高水平大学而奋斗。联系邮箱:dwxcb@guet.edu.cn

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。