文章概述：
超表面在智能驾驶、电磁隐身、疾病诊断、虚拟现实和环境监控等领域有着广泛的应用潜力。快速且大面积地制备超表面对于这些应用的实现至关重要。然而，超表面的制备面临着工艺流程冗长、成本高昂等挑战。因此，如何在微纳加工方面取得突破，已成为众多领域研究的重中之重。近日，清华大学机械工程系界面调控团队提出了基于胶体纳米颗粒自组装的一体化制造方法（简称“SAHM”），实现快速、大面积制备微针阵列的超表面，能够在15分钟内于4英寸及更大尺寸硅片基底上制造出形状可控的微针阵列，制造效率得到了显著提升的同时降低了生产所需的时间和生产成本，为超表面在相关领域的发展和应用奠定了技术基础。这一方法不仅适用于刚性基底，也适用于柔性基底，如聚四氟乙烯（PTFE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等。这些材料柔韧性好，常被用于可穿戴生物传感器及医疗监控设备。此外，SAHM方法还可与其他微纳加工技术相结合，如光刻和丝网印刷，允许在平面和非可展曲面上制作出图案化的微针阵列，为超表面在虚拟现实，智能驾驶等领域的应用开辟了新的技术途径。通过SAHM方法，课题组制备了具有多层级结构的微结构阵列。通过反射率测试表明，这种微柱/纳米针阵列结构可以显著降低基底在可见光波段的反射率，同时保持其在中波红外（MIR）波段的反射特性不变。这表明，通过SAHM方法制备的多层级结构能够在复合波长范围内实现电磁波调控，为超表面在智能蒙皮，医学复合诊断，6G通讯等领域的应用打下基础。
研究背景：
超表面是一种利用亚波长尺度的微结构调制电磁波的新型功能性表面，它能够实现波前操控、色差校正，以及在紧凑型平面光学器件中实现多焦点功能。随着超表面技术的发展，对在各种刚性及柔性基板上快速且大面积制备微针阵列的需求日益增长。这些微针阵列不仅需要在平面和曲面上制作，还必须能够叠加在已有的微结构之上。成功制备这些微针阵列是实现多光谱伪装、非线性等离子体增强、高阶像差消除等应用的关键。目前，制备微针阵列的主要方法有自上而下和自下而上两种：前者通常包括3D打印、电动流体雾化及激光/电子诱导沉积等技术。尽管这些技术能够制造高分辨率和复杂结构，但在商业化大规模生产中扩展性较差；后者则通过光刻技术制作掩模并蚀刻未被掩模覆盖的区域来形成微结构，但复杂的光刻技术（如套刻工艺）在批量生产中难以广泛实施，且传统光刻技术在处理非刚性基板方面也存在局限性。因此，现有的制造方法尚不足以完全满足超表面及其应用的快速发展需求。
图文导读：
图1 通过 SAHM 方法制备微针阵列的过程示意图和SAHM方法对微针形貌调控能力。
a图,利用SAHM方法制备微针阵列的示意图（左）以及对应的扫描电子显微镜（SEM）图像（右）。SAHM法在基底上制备微针阵列主要有3步：（1）将聚苯乙烯（PS）微球通过表面张力自组装到硅基底上（上图）。（2）：通过RIE刻蚀制备微针阵列（中图）。（3）经过超声波清洗去除PS残留物（下图）。b-c图 通过SAHM方法实现在4英寸大小的硅基底上制备微针阵列。d图, 通过使用不同直径的微球来调整微针间距。e图, 通过不同刻蚀时长，来控制微结构的形貌。f图,通过调节刻蚀气氛调节微结构的形貌。
图2 展示了利用 SAHM 方法在多种柔性基底上制备微针阵列的结果。
a-d图, 通过SAHM方法在PTFE基地上制备微针阵列。e-h图，通过不同刻蚀时间实现PET基底上微结构形貌的调控。 i-l图，通过SAHM方法在SU8/PDMS基底上制备微针阵列。通过刻蚀气氛的调节实现微结构形貌的改变。
图3 展示了使用SAHM方法在平面和非可展曲面上制备图案化微针阵列的过程
a图为通过SAHM方法制备图案化微针阵列的示意图。b图：在平面基底上实现图案化微针阵列的制备。c图：左图显示的是通过自组装将图案化PS微球制备在非可展曲面基底之上。右图为转移后的PS微球的SEM表征结果。d图展示了位于曲面顶部和侧面的微针阵列的SEM图片。e图展示了所制备的样品随着观察角度的变化而产生不同的结构颜色，图像中的比例尺为1厘米。
图4 展示了使用SAHM方法制备多层级微结构阵列以及反射率测试的结果
a-c图为在现有微柱阵列上使用SAHM方法制备多层级结构的示意图。d-f图为a-c示意图所对应的SEM表征结果。g图和h图展示了纯硅基底、微柱阵列基底以及多层级微结构基底在中红外和可见光谱范围内的反射率测试结果。i图和j图分别展示了在7.5微米电磁波波长下，微柱和多层级微结构产生的电场分布模拟图。k图和l图则在380纳米的电磁波长下展示了相应的电场分布模拟图。m图和n图是通过显微镜拍摄的微柱和多层级结构的俯视观察结果。
结论：
综上所述，课题组提出了一个新的SAHM方法制备超表面。通过优化课题组之前提出的表面张力梯度自组装技术，显著提升了可制备样品的面积，并提高了微球掩模的制作效率。这些改进使得SAHM方法能够用于高效、大规模生产基于微针阵列的超表面。此外，文章还展示了SAHM方法在柔性和刚性基底上制备微针阵列的能力，以及在平面和非可展曲面上制作图案化的微针阵列的能力。成功将微针阵列制备在已有的微结构之上，形成了多层级的微结构。这些成功案例彰显了SAHM方法在满足超表面制备多样化需求上的能力。利用SAHM方法制备的微结构，文章探讨了其在不同波长电磁波下的反射性能。测量数据显示，多层级微结构能够操控不同波长的电磁波，为超表面设计提供了新的设计自由度。因此，这种制造技术在太阳能器件、生物医学传感、隐身和其他基于超表面的技术应用中具有重要意义。
该研究由清华大学独立完成，汪家道教授、马原助理研究员为通讯作者，博士后喻博闻为第一作者。该研究得到国家自然科学基金（No.52275200、No.52205312）和中国博士后科学基金（2023M731947）等项目的资助，谨此感谢。
论文信息：
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期刊简介
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