柔性线(《Nature》子刊：利用可调控液膜不稳定性，制备柔性超材料)

Posted 2023-05-29

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柔性线(《Nature》子刊：利用可调控液膜不稳定性，制备柔性超材料)

长而灵活的纳米线阵列，在传感、光子学和能量收集方面有重要的应用。传统的制造，在很大程度上依赖于受晶圆尺寸、硬度和机器写入时间限制的光刻方法。

在此，来自复旦大学、瑞典洛桑联邦理工学院、海军工程大学等单位研究者，报告了一种可扩展的过程来生成封装的柔性纳米线阵列，具有高纵横比和优秀的可调尺寸和周期性。相关论文以题为“Controlled filamentation instability as a scalable fabrication approach to flexible metamaterials”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-33853-1

由于纳米线(NW)的高展弦比和固有的电子和光学特性，一维结构是传感、能量收集和光子学领域创新组件的核心。NW阵列由合适的材料制成，从III-V合金到氧化物或硫化物(ChG)玻璃，可以用作低功率相变存储设备，低损耗波导，用于高限制，高局域近场光学传感，或形成高效的光电系统。光学特性也可以根据需要设计来增强光吸收或散射，当设计良好时，高指数有序的灯丝阵列可以集成功能，如在比传统方法小数量级的距离上的透镜。

NWs通常通过无尘室方法获得，如光刻自上而下和自下而上的方法。尽管具有较高的精度和可重复性等内在优势，但尺寸仅限于晶圆本身，NW的长度最多只有几毫米。然而，获得超长(几十米)的NWs组织在一个灵活的支撑阵列，仍然是一个重大挑战。除了气相沉积方法，基于流体动力学的策略已经被提出，以在不同类型的基底和三维排列中生成更长的NWs，如流体旋转或声化学生长。然而，这些方法都不允许常规定位和对准短波。为了生产阵列，压力辅助熔体填充或化学气相沉积在微结构玻璃光纤内的通道已经被证明在数百纳米的长度到几厘米的通道内。然而，这个过程中的沉积时间是其长度的平方，因此限制了缩放。

为了克服这一限制，热拉伸作为一种高展弦比的直接制造NW阵列的替代方法引起了广泛关注。热拉伸是一种纤维制造过程，在此过程中，一个宏观的多材料结构——“预制体”——被加热并拉伸到微观横向尺寸。一种通过热拉伸制造有序纳米阵列的方法依赖于堆叠-拉伸技术，即将单芯光纤拉伸，切割成相等的部分，组装成束，然后重新拉伸。纤维间距和丝径的规律性，取决于前面步骤的精确叠加和均匀性。达到纳米级通常需要连续拉伸三次，这通常会导致中间预成型收缩和破裂，因为残余应力。微米厚薄膜的直接热拉伸已被证明可导致纤维轴横向的脱湿。轴向流动具有缩小表面扰动的效果，因此防止毛细破裂，并保持整个纤维长度的连续性。纳米级的半导体灯丝可以被生产出来，这为可扩展的NW阵列制造提供了令人兴奋的机会。然而，不规则的横向润湿限制了对几何参数的控制。这对光子学中许多需要高度有序的实际应用尤其不利。减少灯丝间间距的可能性也是可取的，以允许集体相互作用和干扰效应。事实上，毛细管破裂的物理(即最快生长模式的波长)决定了大的灯丝间距，并固有地阻碍了对线径-周期比的控制，这是先进光子应用的关键。

模板脱湿是另一个基于流体的过程，可以更好地控制所得到的纳米阵列的几何参数。它由纹理基板上的薄粘性层回流构成，在特定位置施加脱湿作用。这种方法最近被用于在刚性晶圆类衬底上生成ChG NWs。虽然结果很有前景，但要想使再流诱导的脱湿速度快于毛细管破裂，条件非常具有挑战性，限制了直径的均匀性和可实现的特征尺寸。此外，NW长度受纳米印迹面积的限制，通常是晶圆尺度的。到目前为止，在理解和控制基于流体动力学的过程中，实现大纵横比、尺寸和周期性可控的有序NW阵列，所面临的挑战仍未解决。

在此，研究者提出动态模板去湿作为一种新的粘性流动过程，以实现对有序NW阵列的直径和周期性的前所未有的控制，长度可能达到千米。研究者提出调整从纳米印迹聚合物基板上的角度沉积，获得的材料的纹理薄膜的脱湿模式。然后对该组件进行热拉伸，连续触发纤维截面中规定位置的不稳定，同时防止拉伸方向的不稳定。研究者演示了ChG NWs在一次拉伸步骤中形成的米长的周期性阵列，封装在柔性聚合物中，直径可达50纳米。此外，研究者还成功地掌握了独立调整西北方向直径和间距的能力，提供了前所未有的横向几何参数控制。进一步将多个薄膜组合成一个预制体，制作了2D阵列的3D堆叠，实现了在缩短距离上集成多个光子功能。利用多尺度流体动力学模拟，研究者开发了一个模型来解释重排过程，直到纳米尺度。该模型进一步建立了这种长丝发生的普适条件，适用于其他材料，如金属玻璃或导电复合材料。最后，由于拉伸过程的多功能性使得NW阵列的工程可以满足光学需求，研究者提出了一种应用结构，可以从ChG的高折射率中受益。特别是，研究者实现了可控的衍射效应和柔性一维光学全介质超材料的可伸缩制造，展示了我们的纳米制造方法对平面光学和纳米光子学的影响。(文：水生）

图1 高通量NW阵列制作过程与观察。

图2 成丝模型：线性理论、数值模拟和实验验证。

图3 几何形状和结构的多功能性。

图4 光学表征及其应用。

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