Small:衬底形貌诱导的纳米级径向梯度圆阵列薄膜

世界上任何事物都可以看作是由特定的原子/分子按一定的规则组装起来的。从这种意义来说,如果能实现对原子/分子大规模操纵,并固定在特定位置上,我们将可以制造任意事物。这其中涉及到的一个关键技术问题——如何高效地实现多元材料特定位置原子级精度的分布,科学家进行了长期探索研究。在位置精确控制方面,原子/分子的逐点操纵技术(如STM)具有原子级的位置控制精度,但是制造效率极低,对于大尺度物体制造而言,难以实用化。在多元材料复杂分布方面,物理/化学气相沉积技术可以通过多元材料的层叠实现其纵向任意复杂分布,但在横向分布方面需要借助于掩膜或蚀刻技术;当图案比较复杂以及材料种类较多时,制备工艺过程中需要多次反复的结构化处理及材料沉积,操作繁琐,成本高昂,周期长。增材制造(3D打印)技术在多元材料分布方面展现出了一定的后发优势,3D打印技术通过逐点逐层的打印方式构建零部件,可以实现纵向和横向的多元材料复杂位置分布,但有限的打印材料(低熔点)和较低的打印精度(0.1~100微米)限制了多元材料分布的复杂程度和精度。长期以来,精度和效率始终难以得到很好的平衡。

哈尔滨工业大学“机器人技术与系统国家重点实验室”王振龙课题组针对这一问题,创造性的提出了一种通过衬底形貌诱导调控多元材料的平面复杂精确分布的新方法。即通过衬底形貌特征实现多元材料在指定平面上的位置精确控制。通过建立数学模型和引入数学变换,将复杂的多元材料横向分布问题转化为简单的纵向沉积问题;并结合成熟的物理/化学气相沉积技术,实现了高精度及高效率材料分布的统一。作为该方法的一个实例,该团队以图案化蓝宝石衬底作为基底,通过磁控溅射的沉积方式,将50种不同配比且梯度变化的钨和铝混合物沉积在基底上;通过截取沉积体的指定截面获得了大面积(>2英寸)的多元材料径向梯度圆阵列分布,所制备的梯度圆最大为3微米,分布精度达到18纳米,且具有大面积高度一致性。为了显示该方法的普适性,作者还探讨了通过沉积材料顺序、厚度、种类及基底形貌的调控可以实现多元材料的多样化分布;并基于图案化蓝宝石衬底,通过两种金属的交替沉积制备了大面积的同心环阵列分布;而整个制备过程用时小于5小时。此外,所分布的材料还可以是金属、无机物、有机物等。该团队所开发通过衬底形貌诱导调控多元材料的平面复杂精确分布的方法,将极大地促进多元材料组装、微纳米器件、复合材料等领域的跨越式发展。相关结果发表在Small(DOI:10.1002/smll.201902612)上。