用于制造紫外超构表面的定制化高折射率纳米复合材料

纳米压印光刻（NIL）技术已被用于解决光学超构表面（metasurfaces）的高成本和低产量的制造挑战。为了克服以低折射率（n）为特征的传统压印树脂的固有局限性，引入了高折射率纳米复合材料直接用作超构原子（meta-atoms）。然而，对这些纳米复合材料的全面研究明显缺乏。

据麦姆斯咨询报道，近日，浦项科技大学（POSTECH）Junsuk Rho教授的科研团队重点研究了用于产生紫外（UV）超构全息图的高折射率二氧化锆（ZrO₂）纳米颗粒（NP）浓度和溶剂的组成，并通过测量转换效率来量化转移保真度。在波长为325 nm时，在甲基异丁基酮（MIBK）、甲基乙基酮（MEK）和丙酮中使用80 wt% ZrO₂纳米颗粒的转换效率分别为62.3%、51.4%和61.5%。对溶剂成分和纳米颗粒浓度的分析可以进一步提高高折射率纳米复合材料在纳米压印光刻中的制造能力，从而实现光学超构表面的潜在实际应用。相关研究成果以“Tailoring high-refractive-index nanocomposites for manufacturing of ultraviolet metasurfaces”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

使用ZrO₂纳米复合材料制作紫外超构全息图的纳米压印光刻工艺示意图如下所示。为了制备在λ = 325 nm下工作的超构全息图，首先，使用标准电子束光刻（EBL）工艺制作母模，然后用双层硬聚二甲基硅氧烷（h-PDMS）/PDMS覆盖该母模，并固化形成软模。随后在软模上涂覆均匀的ZrO₂纳米复合膜，进一步施加压力和紫外曝光，分离软模以在基底上留下紫外超构全息图。

使用ZrO₂纳米复合材料的纳米压印光刻示意图

优化纳米颗粒浓度对于精确模拟母模的形状至关重要。在80  wt%时，满足了最佳条件，因为存在足够的纳米颗粒来创建所需的结构而没有任何颗粒团聚。实验结果强调了纳米复合材料中纳米颗粒浓度的关键参数，以实现高转移保真度和结构稳定性。

使用20 wt%、50 wt%、80 wt%和90 wt%的ZrO₂纳米复合材料制造的紫外超构全息图

为了量化纳米复合材料在不同溶剂下的转移保真度，基于转换效率对紫外超构全息图进行了评估。基于MIBK和丙酮的纳米复合材料的转化效率分别为62.3%和61.5%，而基于MEK的纳米复合材料的转化效率较低，为51.4%。基于MIBK和基于丙酮的纳米复合材料复制的紫外超构全息图比基于MEK的纳米复合材料复制的图像更清晰、更鲜明。这些结果表明，丙酮具有高转移保真度，其性能可与MIBK相媲美。

基于转换效率评估不同的紫外超构全息图实验

总而言之，研究人员探索了通过纳米压印光刻技术使用定制化的ZrO₂纳米复合材料来制造高保真紫外全息图。通过改变纳米复合材料中ZrO₂纳米颗粒浓度和溶剂的种类，确定了最佳条件。研究人员确定80 wt%的ZrO₂纳米颗粒浓度为生成超构全息图提供了最有利的条件，实现高折射率和高转移保真度。此外，在保持80 wt%浓度的同时，还研究了不同溶剂与PDMS之间的相互作用对转移保真度的影响。测量了使用基于MIBK、丙酮和MEK的纳米复合材料创建的超构全息图的转换效率，以量化转移保真度。使用基于MIBK和丙酮的纳米复合材料复制的超构全息图比使用基于MEK的纳米复合材料复制的图像更清晰、更鲜明，测量的转换效率分别为62.3%、61.5%和51.4%。这些结果表明，除了MIBK，丙酮也有可能成为高折射率纳米复合材料的一种有前途的溶剂，以通过纳米压印光刻实现高保真的超构表面。这些研究结果对优化NIL中纳米复合材料的制造工艺和拓宽其潜在应用具有重要意义。虽然之前已经介绍了ZrO₂纳米复合材料的概念，但缺乏明确详细说明纳米复合材料中纳米颗粒浓度和溶剂等因素如何精确影响纳米压印光刻工艺结果的研究。这项研究特别探讨了这些因素的影响，揭示了纳米压印光刻的潜在进展。使用直接印刷方法制造的由ZrO₂纳米复合结构组成的这种紫外超构表面具有额外的优点，例如高产量和低制造成本。纳米复合超构原子与传统调谐技术的集成使多功能超构全息图的开发成为可能，突出了其在全息显示技术和增强现实和虚拟现实设备应用中的潜力。

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

审核编辑：刘清