基于纳米薄膜的三维组装加工方法及其光学特性调控应用研究

Now 2D planar processing method is close to the physical extreme limit of nanodevice fabrication, and 3D fabrication method will become a new way and has received widespread attention, but how to realize controllable fabricationthe in 3D space and functional applications of 3D structure and find out its processing mechanism, is still a great challenging task. . Facing the current 3D fabrication problem, this project introduces the concept of 3D "assembly" fabrication. Based on the strain effect of nanofilm induced by external field, three-dimensional micro-nanostructure is constructed on-demand by the 3D assembly process using orderly folding or crimping for 2D micro-nanostructure of the nanofilm, having adjustable spatial orientation and controlled structural mode that are suitable for diverse 3D functional application of thin film.. This project will build new 3D-assembling fabrication method for nanofilm and research key assembly processing technology on large area, high efficiency, across-scale of 3D controllable processing for nanofilm, in which the effect of the film-type, composition, thickness, dimension and other factors on assembly processing induced by external field and structure-activity relationship are mainly studied to reveal 3D strain mechanism and multi-field induced physical process. We will explore the new optically modulation property and new optical response model with coupling mechanism for 3D-assembling micro/nanostrucutre to discover the high sensitivity applications on optical detection and high-performance broadband filtering device.

目前二维平面加工方法已接近器件制备的物理极限，三维加工方法将成为一个新的发展途径并受到广泛重视，但如何实现三维空间可控加工和三维结构功能化应用以及弄清其加工机制，仍是具有极大挑战性的课题。本项目针对当前三维加工的问题，引入三维“组装”加工的概念，依据在外场作用下纳米薄膜的应变效应，将纳米薄膜的二维微纳结构通过有序折叠或卷曲方式进行三维组装加工，从而实现各种三维微纳结构的按需构筑，其空间取向可调、结构多样可控的特点非常利于多种薄膜的三维功能化应用。本项目拟建立新的纳米薄膜三维组装加工方法，研究大面积、高效、跨尺度的纳米薄膜三维可控组装加工的关键技术与工艺，重点研究薄膜种类、组合、膜厚、尺度等因素在外场诱导作用下对组装加工的影响及构效关系，揭示三维应变加工机制及多场作用的物理过程，探究三维组装微纳光学结构的光学调控新特性和新响应模式及耦合机制，探索其高灵敏度光学探测及高性能宽带滤波等器件应用。

与二维结构相比，三维结构在器件应用中具有更多功能和更高效率，但是如何实现三维空间的可控加工和三维结构功能化应用并弄清其加工机制，仍是一个具有挑战性的课题。针对上述问题，本项目引入了三维“组装”的加工概念, 利用FIB辐照薄膜材料使其产生应变，进而使得二维平面结构产生有序的折叠或卷曲，从而实现三维微纳结构的组装加工。这种加工方法的优势是适合大面积、高效、跨尺度的构筑三维微纳结构，可以实现曲率半径低至175nm的卷曲结构，其组装的三维结构可以有折叠或卷曲构型，也可以同时兼有卷曲和折叠构型，具有空间取向可调、构型灵活多样的特点。本项目研究发现薄膜在离子束辐照下由于空位缺陷及晶粒尺寸变化引起的张应力并产生杨氏模量下降的现象，导致了薄膜产生了较大的应变，这是FIB诱导三维微纳结构组装加工的主要机制。本项目还研究了不同种类、厚度的薄膜在FIB辐照下的空位缺陷产生情况，得到了结构的曲率随着离子剂量和能量的增加而增加的规律，发现各种金属、半导体及介质膜均可以有效地通过FIB辐照形成三维结构。基于组装的三维结构与光场相互作用机制，本项目设计和加工了多种三维超表面结构器件，不仅实现了环磁偶极与Fano共振等电磁耦合模式，还实现了非对称反射效率高达56%的单向反射超表面、圆二色性值达到0.8的手性超表面以及近红外品质因子达到30的偏振不敏感超表面。此外，设计加工的超表面可以应用在高灵敏光探测以及高性能滤波器中，其折射率传感器具有2703nm/RIU的高灵敏度，而高效圆偏滤波器也可以达到了80%的高效率。本项目研究的纳米三维组装加工方法，通过有序折叠或卷曲二维薄膜实现了三维结构的按需构筑，大大提高了三维加工方法的加工效率、加工能力以及可控自由度，为多种高性能、多功能物理器件，尤其是高效超表面及片上集成光学系统的设计制造提供了一种全新的解决方案。