用于制造紫外超構表面的定制化高折射率納米復合材料

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

據麥姆斯咨詢報道，近日，浦項科技大學（POSTECH）Junsuk Rho教授的科研團隊重點研究了用于產生紫外（UV）超構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，并通過測量轉換效率來量化轉移保真度。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一步提高高折射率納米復合材料在納米壓印光刻中的制造能力，從而實現光學超構表面的潛在實際應用。相關研究成果以“Tailoring high-refractive-index nanocomposites for manufacturing of ultraviolet metasurfaces”為題發表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

使用ZrO?納米復合材料制作紫外超構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下工作的超構全息圖，首先，使用標準電子束光刻（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?納米復合膜，進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全息圖。

使用ZrO?納米復合材料的納米壓印光刻示意圖

優化納米顆粒濃度對于精確模擬母模的形狀至關重要。在80 ?wt%時，滿足了最佳條件，因為存在足夠的納米顆粒來創建所需的結構而沒有任何顆粒團聚。實驗結果強調了納米復合材料中納米顆粒濃度的關鍵參數，以實現高轉移保真度和結構穩定性。

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

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

基于轉換效率評估不同的紫外超構全息圖實驗

總而言之，研究人員探索了通過納米壓印光刻技術使用定制化的ZrO?納米復合材料來制造高保真紫外全息圖。通過改變納米復合材料中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全息圖提供了最有利的條件，實現高折射率和高轉移保真度。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移保真度的影響。測量了使用基于MIBK、丙酮和MEK的納米復合材料創建的超構全息圖的轉換效率，以量化轉移保真度。使用基于MIBK和丙酮的納米復合材料復制的超構全息圖比使用基于MEK的納米復合材料復制的圖像更清晰、更鮮明，測量的轉換效率分別為62.3%、61.5%和51.4%。這些結果表明，除了MIBK，丙酮也有可能成為高折射率納米復合材料的一種有前途的溶劑，以通過納米壓印光刻實現高保真的超構表面。這些研究結果對優化NIL中納米復合材料的制造工藝和拓寬其潛在應用具有重要意義。雖然之前已經介紹了ZrO?納米復合材料的概念，但缺乏明確詳細說明納米復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果的研究。這項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展。使用直接印刷方法制造的由ZrO?納米復合結構組成的這種紫外超構表面具有額外的優點，例如高產量和低制造成本。納米復合超構原子與傳統調諧技術的集成使多功能超構全息圖的開發成為可能，突出了其在全息顯示技術和增強現實和虛擬現實設備應用中的潛力。

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

審核編輯：劉清