納米壓印光刻（NIL）技術(shù)已被用于解決光學(xué)超構(gòu)表面（metasurfaces）的高成本和低產(chǎn)量的制造挑戰(zhàn)。為了克服以低折射率（n）為特征的傳統(tǒng)壓印樹脂的固有局限性，引入了高折射率納米復(fù)合材料直接用作超構(gòu)原子（meta-atoms）。然而，對這些納米復(fù)合材料的全面研究明顯缺乏。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，浦項(xiàng)科技大學(xué)（POSTECH）Junsuk Rho教授的科研團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)研究了用于產(chǎn)生紫外（UV）超構(gòu)全息圖的高折射率二氧化鋯（ZrO?）納米顆粒（NP）濃度和溶劑的組成，并通過測量轉(zhuǎn)換效率來量化轉(zhuǎn)移保真度。在波長為325 nm時，在甲基異丁基酮（MIBK）、甲基乙基酮（MEK）和丙酮中使用80?wt% ZrO?納米顆粒的轉(zhuǎn)換效率分別為62.3%、51.4%和61.5%。對溶劑成分和納米顆粒濃度的分析可以進(jìn)一步提高高折射率納米復(fù)合材料在納米壓印光刻中的制造能力，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)超構(gòu)表面的潛在實(shí)際應(yīng)用。相關(guān)研究成果以“Tailoring high-refractive-index nanocomposites for manufacturing of ultraviolet metasurfaces”為題發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

使用ZrO?納米復(fù)合材料制作紫外超構(gòu)全息圖的納米壓印光刻工藝示意圖如下所示。為了制備在λ = 325 nm下工作的超構(gòu)全息圖，首先，使用標(biāo)準(zhǔn)電子束光刻（EBL）工藝制作母模，然后用雙層硬聚二甲基硅氧烷（h-PDMS）/PDMS覆蓋該母模，并固化形成軟模。隨后在軟模上涂覆均勻的ZrO?納米復(fù)合膜，進(jìn)一步施加壓力和紫外曝光，分離軟模以在基底上留下紫外超構(gòu)全息圖。

使用ZrO?納米復(fù)合材料的納米壓印光刻示意圖

優(yōu)化納米顆粒濃度對于精確模擬母模的形狀至關(guān)重要。在80 ?wt%時，滿足了最佳條件，因?yàn)榇嬖谧銐虻募{米顆粒來創(chuàng)建所需的結(jié)構(gòu)而沒有任何顆粒團(tuán)聚。實(shí)驗(yàn)結(jié)果強(qiáng)調(diào)了納米復(fù)合材料中納米顆粒濃度的關(guān)鍵參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)移保真度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

使用20?wt%、50?wt%、80?wt%和90?wt%的ZrO?納米復(fù)合材料制造的紫外超構(gòu)全息圖

為了量化納米復(fù)合材料在不同溶劑下的轉(zhuǎn)移保真度，基于轉(zhuǎn)換效率對紫外超構(gòu)全息圖進(jìn)行了評估。基于MIBK和丙酮的納米復(fù)合材料的轉(zhuǎn)化效率分別為62.3%和61.5%，而基于MEK的納米復(fù)合材料的轉(zhuǎn)化效率較低，為51.4%。基于MIBK和基于丙酮的納米復(fù)合材料復(fù)制的紫外超構(gòu)全息圖比基于MEK的納米復(fù)合材料復(fù)制的圖像更清晰、更鮮明。這些結(jié)果表明，丙酮具有高轉(zhuǎn)移保真度，其性能可與MIBK相媲美。

基于轉(zhuǎn)換效率評估不同的紫外超構(gòu)全息圖實(shí)驗(yàn)

總而言之，研究人員探索了通過納米壓印光刻技術(shù)使用定制化的ZrO?納米復(fù)合材料來制造高保真紫外全息圖。通過改變納米復(fù)合材料中ZrO?納米顆粒濃度和溶劑的種類，確定了最佳條件。研究人員確定80 wt%的ZrO?納米顆粒濃度為生成超構(gòu)全息圖提供了最有利的條件，實(shí)現(xiàn)高折射率和高轉(zhuǎn)移保真度。此外，在保持80 wt%濃度的同時，還研究了不同溶劑與PDMS之間的相互作用對轉(zhuǎn)移保真度的影響。測量了使用基于MIBK、丙酮和MEK的納米復(fù)合材料創(chuàng)建的超構(gòu)全息圖的轉(zhuǎn)換效率，以量化轉(zhuǎn)移保真度。使用基于MIBK和丙酮的納米復(fù)合材料復(fù)制的超構(gòu)全息圖比使用基于MEK的納米復(fù)合材料復(fù)制的圖像更清晰、更鮮明，測量的轉(zhuǎn)換效率分別為62.3%、61.5%和51.4%。這些結(jié)果表明，除了MIBK，丙酮也有可能成為高折射率納米復(fù)合材料的一種有前途的溶劑，以通過納米壓印光刻實(shí)現(xiàn)高保真的超構(gòu)表面。這些研究結(jié)果對優(yōu)化NIL中納米復(fù)合材料的制造工藝和拓寬其潛在應(yīng)用具有重要意義。雖然之前已經(jīng)介紹了ZrO?納米復(fù)合材料的概念，但缺乏明確詳細(xì)說明納米復(fù)合材料中納米顆粒濃度和溶劑等因素如何精確影響納米壓印光刻工藝結(jié)果的研究。這項(xiàng)研究特別探討了這些因素的影響，揭示了納米壓印光刻的潛在進(jìn)展。使用直接印刷方法制造的由ZrO?納米復(fù)合結(jié)構(gòu)組成的這種紫外超構(gòu)表面具有額外的優(yōu)點(diǎn)，例如高產(chǎn)量和低制造成本。納米復(fù)合超構(gòu)原子與傳統(tǒng)調(diào)諧技術(shù)的集成使多功能超構(gòu)全息圖的開發(fā)成為可能，突出了其在全息顯示技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備應(yīng)用中的潛力。

論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41378-024-00681-w

審核編輯：劉清