【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院/光電學(xué)院李家方教授、姚裕貴教授團隊與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉之光教授、北京理工大學(xué)光電學(xué)院王涌天教授、劉娟教授團隊以及材料學(xué)院靳柯教授團隊合作，在硅基納米剪紙技術(shù)領(lǐng)域取得重要突破，實現(xiàn)了對硅基微納結(jié)構(gòu)塑性、彈性和滯性形變行為的精準調(diào)控，并成功展示了陣列結(jié)構(gòu)的光學(xué)信息加密顯示功能。該創(chuàng)新成果發(fā)表在《自然》子刊Nature Communications上。
剪紙作為最古老的中國民間藝術(shù)之一，近年來在納米制造、結(jié)構(gòu)調(diào)控等領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。北京理工大學(xué)李家方教授帶領(lǐng)研究團隊2018年首創(chuàng)納米剪紙三維微納制造技術(shù)[Sci. Adv. 4, eaat4436]，2021年發(fā)展納米光機電調(diào)控新機制[Nat. Commun. 12, 1299]，2024年實現(xiàn)納米剪紙轉(zhuǎn)子光電鑷自由操控[Sci. Adv. 10, eaat1299]，及至2025年突破硅基納米剪紙技術(shù)[Nat. Commun. 16, 5512]，持續(xù)推動了該領(lǐng)的發(fā)展，形成了一條從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用開發(fā)的完整技術(shù)路線。
圖1. 硅基納米剪紙結(jié)構(gòu)形變調(diào)控。(a) 基于絕緣體上硅(SOI)襯底的納米剪紙結(jié)構(gòu)微納制造流程。(b) 聚焦離子束(FIB)輻照誘導(dǎo)的雙向塑性形變。(c) 機械力或靜電力作用下可瞬時恢復(fù)的彈性形變。(d) 電壓驅(qū)動下的滯性形變。比例尺：1µm。
硅基納米剪紙技術(shù)的突破具有重要的里程碑意義。這是因為絕緣體上硅(SOI)是當代集成光電子領(lǐng)域最重要的半導(dǎo)體材料之一，具有優(yōu)異的CMOS工藝兼容性和成熟的產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢。研究團隊自2019年開始將硅基納米剪紙技術(shù)作為重點攻關(guān)方向，經(jīng)過多年摸索成功掌握了微納尺度硅材料的各類形變制造及調(diào)控方法(圖1)，突破了納米剪紙結(jié)構(gòu)在金屬材料方面的性能限制，實現(xiàn)了具有多樣化形變能力的新型微納結(jié)構(gòu)(圖2)。
圖2. 多種硅基納米剪紙結(jié)構(gòu)在聚焦離子束(FIB)輻照前后的SEM圖像。比例尺：1μm。
在塑性形變方面，研究團隊提出基于鎵離子注入與硅空位誘導(dǎo)的非對稱分布及飽和效應(yīng)等新機理，突破了傳統(tǒng)兩段式形變理論的局限，首次實現(xiàn)了具有雙反轉(zhuǎn)特征的三段式塑性形變，揭示了劑量依賴的合成力矩對結(jié)構(gòu)形變方向的決定性作用，為深入理解硅材料的塑性形變機制奠定了重要理論基礎(chǔ)。在可逆彈性形變方面，研究團隊基于機械力或靜電力驅(qū)動機制，設(shè)計了一種高彈性的網(wǎng)狀納米彈簧結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)低至10 nN的力學(xué)響應(yīng)(圖3)。在滯性形變方面，研究團隊設(shè)計了一種平面彈簧結(jié)構(gòu)，首次觀察到靜電力驅(qū)動下的反常滯后形變現(xiàn)象，即斷電后近乎復(fù)原的二維平面結(jié)構(gòu)自發(fā)形變至三維狀態(tài)的現(xiàn)象(圖4)。
圖3. 硅基網(wǎng)狀納米彈簧結(jié)構(gòu)的彈性形變特性。
圖4. 硅基納米剪紙結(jié)構(gòu)的滯后形變特性。
硅基納米剪紙結(jié)構(gòu)精確可控的彈性及滯后形變模式，為動態(tài)光學(xué)信息編碼和加密顯示提供了新的技術(shù)途徑。為驗證這一概念，研究團隊設(shè)計了多種剛度不同的螺旋結(jié)構(gòu)并進行編碼，采用“幅值”、“時長”、“時序”多參量調(diào)控驅(qū)動電壓，成功實現(xiàn)了多種模式的信息加密與光學(xué)顯示(圖5)。這種滯后效應(yīng)與剛度設(shè)計的協(xié)同作用，為發(fā)展動態(tài)信息加密與光學(xué)顯示技術(shù)提供了新策略。
圖5. 硅基納米剪紙結(jié)構(gòu)應(yīng)用于光學(xué)信息編碼和加密顯示的概念演示。比例尺：10μm。
該工作揭示了硅基納米剪紙結(jié)構(gòu)在同一材料平臺上實現(xiàn)塑性、彈性和滯性形變模式的獨特能力和精準可控特性，為智能微納器件開發(fā)提供了新思路。基于硅材料成熟的工藝基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢，研究團隊不僅首次觀測到多種形變模式協(xié)同共存的現(xiàn)象、深化了外場激勵下硅材料力學(xué)行為的認知，更通過“可編程力學(xué)響應(yīng)編碼”技術(shù)路線，精確實現(xiàn)了形變模式的選擇性激活和時序控制，將有助于推動微納光機電系統(tǒng)、微納傳感器、精密機械和憶阻器等領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。北理工博士生梁清華、中科大劉之光教授、北理工韓遇博士為論文的共同第一作者，北理工李家方教授為論文的通訊作者。研究團隊感謝北京理工大學(xué)分析測試中心、懷柔綜合極端條件實驗裝置(SECUF)微納加工實驗室等給予的支持與幫助。該交叉學(xué)科研究工作得到了國家自然科學(xué)基金(基礎(chǔ)科學(xué)中心、國家杰出青年基金和面上項目)、國家重點研發(fā)計劃等項目的支持。
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