中科院化学所宋延林和苏萌Angew. Chem. Int. Ed.：液滴操控曲面印刷微纳光子器件
【引言】
先进的微纳制造技术为纳米光子器件、光电探测器、太阳能电池和超材料等领域的发展提供了巨大空间。同时，高度集成化器件需要在复杂的表面制造精细的微纳结构。近年来，基于光刻或自组装的微纳制造技术快速发展，设计制备的复杂微结构拓展了光电器件的应用领域。其中，金属或介电功能纳米材料的图案化成为制造大规模光子器件阵列的关键之一。例如三维波导纳米结构作为纳米光子应用（包括传感器和成像）的基本互连单元，需要集成在芯片的有限区域乃至复杂曲面上。
液相自组装纳米颗粒的方法是一种自下而上的微纳结构制造方式，可以在弯曲或平面基底上实现多种微纳结构的有效构筑。然而，在异形表面实现纳米粒子在液体介质中的自组装，从而构建高精度单组分或异质结构，仍然是一个亟待解决的难题。特别是由于不连续的气-液-固接触线和Laplace压差，曲面上的流体行为是一个非常复杂的过程。因而在曲面上实现具有精确形貌和组分的微纳米结构的设计与制造，对于新型结构光电器件的发展具有重要意义。
【成果简介】
纳米印刷是一种新的微纳制造技术，通过调控纳米印刷墨滴蒸发过程中多种物理过程，研究液滴浸润行为与功能材料可控组装的关系与规律，可实现基本单元高精度印刷制备，具有适用材料广、适用套印多种材料等特点。但是，在复杂曲面上，由于不连续的气-液-固接触线和Laplace压差，液体内功能纳米材料的组装行为难以精确控制。在这个研究工作中，中科院化学所宋延林和苏萌通过模板诱导的液滴操控纳米印刷和纳米粒子自组装相结合的策略，在三维曲面上实现了曲面印刷微纳光子器件。他们阐明了纳米粒子在弯曲液体介质中组装的调控机制以及曲面光子器件的工作原理，建立了一种简便制备微米精度柔性印刷模板的通用方法。通过格子玻尔兹曼模型（LBM）进行的理论分析揭示了液滴操控组装过程的基本原理。基于两种荧光纳米材料的印刷微纳结构，显示了明显差异化的光致发光现象，并在3D弯曲空间中展示了光波导特性。他们制备了具有单纳米颗粒印刷精度的多组分微/纳米结构，将微纳结构的印刷制备从平整表面扩展到复杂曲面，为光子操纵和信息传播在复杂空间环境中的应用提供了通用策略。该成果以题为“Non-lithography hydrodynamic printing micro/nanostructures on curved surfaces”发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。
【图文导读】
图1.多种曲率半径表面上印刷微纳结构策略
a）曲面印刷微纳结构示意图
b）格子玻尔兹曼模型（LBM）模拟液体（蓝色）操控印刷和纳米粒子（黄色）自组装行为
c）复杂曲面上的聚苯乙烯纳米颗粒（PSNPs）微纳阵列的扫描电子显微镜（SEM）图像
d）曲率依赖的显色微纳光子结构示意图和光学显微镜图像
图2.曲面印刷过程及机理
a）将纳米颗粒悬浮液加到柔性模板上，随着液滴蒸发，气-液-固界面收缩，功能性纳米颗粒模板诱导下自组装形成微纳结构
b）共聚焦显微镜图像显示，纳米颗粒悬浮液在曲面上收缩成型的不同阶段（I, II, III）
c）与图b相对应的LBM模拟曲面印刷过程
d）在曲面印刷I或III阶段捕获的荧光图像，以及对应的荧光强度分析图，显示了液滴随着蒸发而变窄并说所成型的过程
图3.曲面印刷单纳米颗粒精度微纳结构相图
a）具有PSNP组装不同微纳结构的SEM图像
b）单纳米颗粒精度微纳结构相图
c）在一系列不同直径圆柱曲面上荧光纳米粒子组装结构的共聚焦显微镜图像
图4. 多材料复合微纳结构与曲面光波导测试
a）通过两步印刷工艺的双组分异质纳米颗粒组装结构的共聚焦显微镜图像：同时由561 nm和640 nm激光激发，分别由561 nm激光（绿色通道）和640 nm激光（红色通道）激发
b）曲面光子结构的光波导和光致发光特性
c）曲率依赖的曲面光子结构显色示意图及入射角度差异说明
d）随着曲面上不同位置处入射光和观察方向之间的夹角变化，纳米结构光学显微镜图像显示了从绿色到黄色和红色的衍射色转换。
【小结】
这个工作结合LBM仿真的数值分析报道了一种非光刻的曲面印刷光子结构器件的通用策略。实现了直径2-10 mm的圆柱曲面上印刷制造单纳米颗粒精度微纳结构阵列，并建立了曲面印刷微纳结构相图。通过多次套印实现了红色和绿色荧光纳米材料的复合微纳结构，在曲面上显示了差异化的光致发光特性。此外，基于纳米粒子组装的光子结构展示了曲率依赖的多波长传输和发射特性，为光子操纵和信息传播在复杂空间环境中的应用提供了科学基础。
文献链接：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。
团队介绍：
宋延林，中国科学院化学研究所研究员，杰青，长江学者特聘教授。主要从事光电功能材料、纳米材料与绿色印刷技术研究。中国材料研究学会、中国印刷技术协会、中国真空学会、中国计算机行业协会常务理事，中国感光学会、中国微米纳米技术学会理事，中国颗粒学会名誉理事；国际电工协会印刷电子工作组专家。已发表SCI 收录论文360余篇，被他人引用16,000余次，并多次被Nature, Sciecne, 美国化学会（ACS）、英国皇家化学会（RSC）等作为研究亮点报道。主持和参加编写英文专著10 部，中文专著2部；获授权中国发明专利100余项，美国、日本、欧盟、韩国等授权发明专利24项。获 2008年和2005 年国家自然科学二等奖，2016年北京市科学技术一等奖。
苏萌，中国科学院化学研究所副研究员，中国科学院青年创新促进会会员，系统研究了绿色印刷液滴操控实现功能材料图案化的新方法，实现了对微纳图案基本单元点、线、面、体的精确控制，近五年共发表论文40余篇，被引600多次。参与起草制定国际电工委印刷电子工作组（IEC＼TC 119）国际标准1项。作为项目负责人主持国家自然科学基金、博士后创新人才支持计划、博士后科学基金面上资助等项目。
文献推荐：
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