柔性基周期性厚度梯度薄膜的应变效应

可控的表面微结构在柔性电子、仿生器件和能源材料等方面均具有重要的应用价值.本文采用编织铜网作为掩模板,利用磁控溅射技术在柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上制备具有周期分布的厚度梯度金属银薄膜,研究了薄膜在单轴压缩/拉伸过程中的形貌演化规律.实验发现,在单轴机械载荷作用下,银薄膜表面将形成相互垂直的条纹褶皱和多重裂纹.膜厚的梯度变化调制了薄膜的面内应力分布,导致褶皱在膜厚较小处率先形成,并逐渐扩展到膜厚较大区域,而裂纹则基本限定在膜厚较小区域.基于应力理论和有限元计算,对周期性厚度梯度薄膜的褶皱和裂纹的形貌特征、演化行为和物理机制进行了深入分析.该研究将有助于加深对非均匀薄膜体系的应变效应的理解,并有望通过梯度薄膜的结构设计在柔性电子等领域获得应用.     

基于PET基片的柔性石墨烯应变计加工方法

针对PET塑料耐温性能较差,与标准微纳加工工艺不兼容等问题,开发了面向PET塑料基底材料的光刻、镀膜等微纳加工工艺。通过CVD生长、转移等方式将单层石墨烯薄膜附着于0.5 mm厚PET基底,并采用微纳加工的方式制备了柔性石墨烯压阻应变计。工艺结果表明,本研究所提出的加工方法适用于以PET塑料作为衬底材料的柔性微纳器件的制作。通过对PET塑料衬底施加应变并测量石墨烯的电阻变化率,可计算出石墨烯的压阻应变系数约为1.3。     

基于石墨烯复合材料的近红外光驱动的柔性可调光栅

针对现有柔性可调光栅响应速度慢、功耗高而无法广泛应用的现状,提出一种基于石墨烯纳米片(graphene nanoplatelet, GNP)/聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)复合材料的近红外(near-infrared, NIR)光驱动可调谐柔性透射光栅结构。利用紫外线光刻技术制备出的光栅结构,实现了柔性透射光栅与石墨烯复合材料薄膜的一体化。在光功率密度为220 mW·cm-2的近红外光驱动下,GNP/PDMS薄膜的温度变化约为120℃,而且光栅在3 s内可实现2.7%的连续周期调谐。不同驱动频率下,光栅栅距变化规律基本相同,即光栅的光机械效应无显著的时间依赖性。     

ZrO2/SiO2多层膜中膜厚组合周期数及基底材料对残余应力的影响

ZrO2/SiO2多层膜由相同沉积条件下的电子束蒸发方法制备而成,通过改变多层膜中高(ZrO2)、低(SiO2)折射率材料膜厚组合周期数的方法,研究了沉积在熔石英和BK7玻璃基底上多层膜中残余应力的变化.用ZYGO光学干涉仪测量了基底镀膜前后曲率半径的变化,并确定了薄膜中的残余应力.结果发现,该多层膜中的残余应力为压应力,随着薄膜中膜厚组合周期数的增加,压应力值逐渐减小.而且在相同条件下,石英基底上所沉积多层膜中的压应力值要小于BK7玻璃基底上所沉积多层膜中的压应力值.用x射线衍射技术测量分析了膜厚组合周期数不同的ZrO2/SiO2多层膜微结构,发现随着周期数增加,多层膜的结晶程度增强.同时多层膜的微结构应变表现出了与所测应力不一致的变化趋势,这主要是由多层膜中,膜层界面之间复杂的相互作用引起的.     

光纤布拉格光栅柔性传感器研究进展

光纤光栅传感器具有质量轻、体积小、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点,尤其具有良好的柔韧性和相容性,可通过特殊制备工艺将光纤光栅与柔性材料制作成高密度分布式感知的柔性传感器。介绍了光纤光栅的基本传感原理;详细介绍了分别采用硅橡胶、纺织品以及其他聚合物作为基底的光纤光栅柔性传感器,并分析了各类柔性传感器的制备工艺技术、结构特点和性能;最后讨论了柔性传感器存在的主要问题、应用领域和未来研究方向。     

ZrO2／SiO2多层膜中膜厚组合周期数及基底材料对残余应力的影响

ZrO₂／SiO₂多层膜由相同沉积条件下的电子束蒸发方法制备而成， 通过改变多层膜中高(ZrO₂)、低(SiO₂)折射率材料膜厚组合周期数的方法，研究了沉积 在熔石英和BK7玻璃 基底上多层膜中残余应力的变化. 用ZYGO光学干涉仪测量了基底镀膜前后曲率半径的变化， 并确定了薄膜中的残余应力. 结果发现，该多层膜中的残余应力为压应力，随着薄膜中膜厚 组合周期数的增加，压应力值逐渐减小. 而且在相同条件下，石英基底上所沉积多层膜中的 压应力值要小于BK7玻璃基底上所沉积多层膜中的压应力值. 用x射线衍射技术测量分析了膜 厚组合周期数不同的ZrO₂／SiO₂多层膜微结构，发现随着周期数增 加，多层膜的结晶程 度增强. 同时多层膜的微结构应变表现出了与所测应力不一致的变化趋势，这主要是由多层 膜中，膜层界面之间复杂的相互作用引起的. 关键词： 2／SiO₂多层膜')" href="#">ZrO₂／SiO₂多层膜 残余应力 膜厚组合周期数     

基于近红外光谱的柔性基底紫外臭氧改性效果表征研究

近年来,随着纳米科技、聚合物材料和先进制造技术的发展,以柔性传感器为代表的新兴柔性电子器件在可穿戴、健康医疗、物联网终端等领域发挥着越来越重要的作用。作为柔性电子器件的载体,柔性基底对传感器的机械可靠性和电学传感性能等方面有着重要的意义。但由于其表面非极性键造成的高疏水性限制了功能性材料在其表面的沉积,常常造成柔性基底层与电极层/敏感层之间不稳定的界面结合。因此,利用紫外臭氧处理对柔性基底表面改性受到了广泛的关注。利用近红外光谱技术对柔性基底的紫外臭氧处理效果进行快速精准评估,旨在从基团分子层面探究其改性效果,在实际应用中是对传统依靠接触角测量评估方法的有效补充。具体而言,对四种常见的柔性基底材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚酰亚胺（PI）进行了1/2/5/10 min不同时长的紫外臭氧（UVO）改性处理,并利用近红外光谱对其改性效果进行表征研究,最后利用接触角测量方法对上述的表征结果进行了验证分析。近红外光谱分析表明：对于柔性PDMS基底,紫外光能量不足以切断其中的甲基（—CH₃）官能团和（—C—Si—）等化学键,无法引入羟基、羧基等亲水性基团。对于柔性PEN和PET基底而言,紫外臭氧处理的效果要优于柔性PDMS基底,且对柔性PET基底的处理效果要优于柔性PEN基底,其原因可能是PEN基底材料中萘环的双环结构具有很强的紫外光吸收能力,阻隔了380 nm以下的大部分紫外线能量。对于柔性PI基底,紫外臭氧处理可以有效引入羟基（—OH）和羧基（—COOH）等活性基团,且这些官能团的强度和数量随着处理时间的增加而增加,从而在短时间内使得PI基底表面能增大、接触角减小、湿润性提高。接触角测试结果验证：紫外臭氧处理对于柔性PDMS基底处理效果不明显（接触角下降幅度为8.4%）;对柔性PET基底处理的效果（接触角下降幅度为39.6%）要优于柔性PEN基底的处理效果（接触角下降幅度为9.4%）;紫外臭氧处理的效果对柔性PI基底处理效果最佳,接触角下降幅度达到了62.7%。     

体积相位全息光栅的设计与制备

本文指出全息干版薄膜在曝光后处理过程中的收缩性和折射率变化对制备全息光栅的周期、倾斜度、布喇格入射角及衍射角的影响问题,并根据实验数据对光栅设计进行修正,再结合Kogelnik衍射方程及折射率调制度和曝光量的线性关系,在实验中基本上能准确设计出指定周期、倾斜度和衍射效率的全息光栅。     

长周期光纤光栅弯曲传感特性

基于耦合模理论和微扰近似,研究了长周期光纤光栅(LPFG)弯曲传感特性与弯曲曲率及光栅结构参数(光栅长度和栅格周期)之间的关系.当弯曲曲率增大到某一值时,一个透射峰分裂为两个,两个分裂峰的谐振波长与弯曲曲率的变化关系呈二次曲线关系,与栅格周期成反比变化,而与光栅长度基本无关.利用B-Ge共掺单模光纤制作的LPFG证实了理论的正确性,且具有很好的重复性.     

体积相位全息光栅的设计与制备

本文指出全息干版薄膜在曝光后处理过程中的收缩性和折射率变化对制备全息光栅的周期、倾斜度、布喇格入射角及衍射角的影响问题，并根据实验数据对光栅设计进行修正，再结合Ｋｏｇｅｌｎｉｋ衍射方程及折射率调制度和曝光量的线性关系，在实验中基本上能准确设计出指定周期、倾斜度和衍射效率的全息光栅。     

A sandwiched flexible polymer mold for control of particle-induced defects in nanoimprint lithography

Particle related defects are one of the key concerns for nanoimprint lithography, since the particle can amplify the defect to become much larger than the particle itself. We developed a flexible tri-layer mold for control of particle-induced defects. The mold was composed of a PDMS cushion layer sandwiched between a rigid imprint pattern layer and a plastic polyethylene terephthalate (PET) backplane. The PET foil was used as the backplane of the mold to protect the sticky PDMS surface. The PDMS as a cushion layer could locally deform to conform the shape of substrate due to its high elasticity. The multifunctional epoxysiloxane was used for the formation of an imprint layer because of its insensitivity toward oxygen during curing, high transparency, excellent mechanical strength and high resistance to oxygen plasma after cross-linking. Nanostructures with different geometries and sizes were faithfully duplicated by this mold through a UV-curing imprint process. The particle-induced defectivity was dramatically improved by the deformation of the PDMS cushion layer with a slight external pressure. 500 nm pitch grating structures were successfully imprinted on a microposts array surface, both the top and the intervening bottom portions between the microposts.     

Formation of Au nano-patterns on various substrates using simplified nano-transfer printing method

For future device applications, fabrication of the metal nano-patterns on various substrates, such as Si wafer, non-planar glass lens and flexible plastic films become important. Among various nano-patterning technologies, nano-transfer print method is one of the simplest techniques to fabricate metal nano-patterns. In nano-transfer printing process, thin Au layer is deposited on flexible PDMS mold, containing surface protrusion patterns, and the Au layer is transferred from PDMS mold to various substrates due to the difference of bonding strength of Au layer to PDMS mold and to the substrate. For effective transfer of Au layer, self-assembled monolayer, which has strong bonding to Au, is deposited on the substrate as a glue layer.In this study, complicated SAM layer coating process was replaced to simple UV/ozone treatment, which can activates the surface and form the -OH radicals. Using simple UV/ozone treatments on both Au and substrate, Au nano-pattern can be successfully transferred to as large as 6 in. diameter Si wafer, without SAM coating process. High fidelity transfer of Au nano-patterns to non-planar glass lens and flexible PET film was also demonstrated.     

基于PDMS薄膜的等离子体光栅仿真分析

为了实现对等离子体光栅共振波长的测量,研究光栅参数对应力的响应敏感程度,提出了一种新型的应力敏感型聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane,PDMS）薄膜等离子体光栅。基于时域有限差分（finite difference time domain,FDTD）法的原理,构造了一种结构仿真模型,即周期性等离子体光栅模型。借助周期边界条件,通过对光栅施加应力,改变等离子体光栅参数（即周期、占空比及Au膜厚度）来实现共振波长的测量,研究光栅参数对应力的响应敏感程度。最后将仿真结果与理论数值作对比,并得出相对误差大小。仿真结果表明,当光栅周期p=0.7 μm,占空比f=55%,金膜厚度b=0.02 μm时,对应力的响应最敏感。其次,将仿真所得不同周期时的共振波长与理论值相比较,可知二者结果相吻合;周期为0.7 μm时,共振峰的波长为1.251 μm,仿真结果与理论数值比较得到,其相对误差都不超过2%,结果较为准确。此方法在单色仪、光谱仪和传感等领域中具有重要作用。     

薄膜光学锥形光栅的制备与光学特性分析

为了在光学薄膜中引入连续轮廓的微结构,综合利用薄膜的干涉效应与微结构的折反射、衍射效应,提出一种薄膜光学微结构的制备工艺。基于时域有限差分方法设计了具有可见光波段减反射特性的薄膜光学锥形光栅;采用单点金刚石车削技术,结合纳米压印与电感耦合等离子体刻蚀技术,在SiN_x薄膜中制备出高1.6 μm,周期4.1 μm的锥形光栅;在可见光波段,SiN_x薄膜光学锥形光栅的平均反射率为5.7%,反射率的实验检测结果与仿真计算结果达到很高的一致性;当入射光角度在30°以内,薄膜光学锥形光栅的减反特性表现出对光波入射角度的不敏感性。该制备工艺突破了单点金刚石车削技术的材料局限,将连续轮廓的微结构的直接形成工艺拓展至介质薄膜当中,实现了宽光谱、宽入射角度的减反射。     

Micropatterning and transferring of polymeric semiconductor thin films by hot lift-off and polymer bonding lithography in fabrication of organic field effect transistors (OFETs) on flexible substrate

Micropatterning and transferring of polymeric semiconductor thin films by hot lift-off and polymer bonding lithography in fabrication of OFETs with polymeric dielectric on the flexible substrate was proposed. The desired polymeric semiconductor patterns were fabricated on the flat polydimethylsiloxane (PDMS) surface with a selective lift-off method we proposed previously. The isolated and well defined polymeric semiconductor patterns left on the flat PDMS surface can be further transferred to the gate polymeric dielectric surface by polymer bonding lithography due to the low interfacial energy of PDMS. The transistor fabricated with this ‘dry’ process has a higher field-effect mobility compared with that using spin coated semiconductor layer.     

多层介质膜脉宽压缩光栅的严格矢量分析

用于展宽和压缩激光脉冲的多层膜脉宽压缩光栅是由多层介质高反膜和位于其顶层的浮雕光栅构成。以设计的高反射多层膜为基础,利用傅里叶模式理论分析了其衍射场分布,给出了TE波自准直角入射的使用条件下,多层介质膜脉宽压缩光栅衍射效率的表达式。以-1级衍射效率为评价函数,分别讨论了HfO2和SiO2为顶层材料时,多层膜脉宽压缩光栅-1级衍射效率高于0.95的光栅结构参量范围。结果表明,在该条件下,选择HfO2为顶层材料时,光栅结构参量有较大的取值范围。给出了优化的光栅结构参量,并分析了光栅制作误差及其使用条件的宽容度,对光栅制作工艺和使用具有一定的指导意义。     

Diffraction Properties of Field Adjustable Polymer Network Stabilized Liquid Crystal Grating

Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｄｕｅｔｏａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃｏｐｔｉｃａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ,ｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｓｃａｎｂｅａｄｊｕｓｔｅｄｂｙｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄ,ａｎｄｔｈｕｓｔｈｅｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｇｒａｔｉｎｇｆａｂｒｉｃａｔｅｄｕｓｉｎｇｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｓｃａｎｂｅａｄｊｕｓｔａｂｌｅｂｙｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄ．Ｓｕｃｈｄｅｖｉｃｅｓｈａｖｅｐｏｔｅｎｔｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ…     

Diffraction Properties of Field-Adjustable Polymer Network Stabilized Liquid Crystal Grating

A new diffraction grating mode has been proposed. This grating is formed by applying of a spatially periodic electric field to a polymer network stabilized uniformly aligned liquid crystal layer. Due to the electro-optic properties of the polymer network stabilized liquid crystal layer, the grating type is electrically adjustable, i.e. it presents amplitude, phase or amplitude-phase type depending on the applied voltages. Experimental results show that the number of visible diffraction orders can be adjusted easily, and even be closed at the same time. The detail fabrication process and experimental results will be presented.     

界面合金化控制柔性Al/PI薄膜应力的研究

针对航天器用MEMS热控百叶窗存在的柔性薄膜应力问题, 开展界面合金化控制薄膜应力技术研究. 通过给柔性Al/PI薄膜体系添加中间层Sn, 使其合金化, 使晶格产生膨胀畸变, 来引入相反的应力与已经存在的本征压应力相抗衡, 可获得低表观应力的薄膜. 用SEM和EDS剖面分析验证了Sn原子发生了明显的扩散现象, 形成了Al-Sn合金层. 这种方法可作为控制薄膜应力的一种新的技术手段.