2021-08-09
 
上海交通大学姜学松团队《AM》:光二聚诱导扩散构筑表面微图案
2021年08月09日   阅读量:322

表面图案在自然界材料以及生物体表面广泛存在,并赋予了表面独特的润湿、光学、摩擦等性能,在众多领域具有广泛的应用前景。而图案化技术是制备表面微纳米图案的关键。构筑表面图案的方法主要有两种:自上而下和自下而上中国化工网okmart.com。前者自上而下的方法主要包括光刻和纳米压印等技术,该技术工艺成熟且能够精确地控制表面形貌,但繁琐的步骤及昂贵的设备等限制了它们更为广泛的应用。另一种自下而上的方法主要包括界面自组织等技术,其具有简单、自发形成等优点,但是往往不易控制。因此开发一种结合以上两种方法优点新的图案化方法对图案化领域具有重要的意义,同时也是现如今的一大挑战。

鉴于此,上海交通大学印杰-姜学松课题组通过光诱导马来酰亚胺(MI)在体系中的定向运动和质量转移,开发了一种有效的光诱导生长策略来构筑具有特定功能的有序图案。MI的选择性光二聚使体系出现化学势梯度,诱导单体从未曝光区向曝光区进行定向的扩散运动,最终通过图案化表面使体系达到新的热力学平衡。而在曝光区域中光强会沿厚度方向进行衰减,使单体在垂直方向也产生了浓度梯度,诱导单体从曝光区的底部迁移到表面。垂直和横向的分子扩散形成了一个全局扩散系统,共同导致了表面微结构的产生。该策略实现了光诱导表面微图案的生长,同时成功将该图案化方法应用在了复合光栅、图案化曲面、微流体通道和LED芯片图案化封装等领域。这种通过单体扩散的新型光诱导生长的微图案化技术结合了自上而下(可控、可操作、工业化)和自下而上(自组装、自然、简单)方法的优点。相关工作以“Micropatterns Fabricated by Photodimerization-Induced Diffusion”为题发表在期刊《Advanced Materials》上。


光诱导定向质量传输构筑表面图案的策略

通过马来酰亚胺的光诱导定向质量传输构筑表面图案的策略如图1所示。将由呋喃接枝聚合物(PSFB)和双马来酰亚胺(BMI)组成的厚度为180 µm的薄膜,在掩膜板下进行紫外曝光,BMI的选择性光二聚导致曝光区域和未曝光区域之间产生浓度梯度,驱动BMI从未曝光区域扩散到曝光区域。此外,由于光的漏斗效应,使BMI在曝光区域产生垂直梯度,这导致BMI能够从底部迁移到表面。水平和垂直两种扩散共同导致了微图案的形成。进一步的D-A交联反应维持了图案形状的稳定,因此通过这种方法构筑的微图案可以稳定存在。有趣的是,这种扩散图案化的薄膜能够将一束激光衍射成复杂有序的图案,这在光学器件中具有潜在的应用。在非接触式光掩模下,基于BMI光二聚的扩散图案不涉及在典型光刻中必不可少但又很麻烦的显影步骤。因此,这种新型的光诱导扩散方法结合了自上而下和自下而上方法的特点,具有简单、无接触且可大面积制备等优点。

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图1光诱导扩散构筑表面微图案的策略

光诱导微图案的生长及其应用

由于这种方法对表面形态具有可调控性,加上其良好的稳定性和通用性的内在优势,有望开发出一系列具有理想结构的微图案。研究人员使用不同的光掩模获得了一系列具有复杂地形的扩散图案(如图2)。这种新颖的光诱导扩散方法很容易制造出多层次、大面积的不连续图案,从而实现从分子水平到宏观视角的转变。作者还发现扩散图案可以作为面光栅与体光栅相结合的叠加光栅,其衍射图案复杂有序且具有多级次的特点,这是薄膜表面微图案与物质重分配共同造成。此外,通过掩膜板控制MI的迁移方向,可以产生独特的微结构。图3显示了基于BMI扩散的程序化曝光制备的复杂图案的代表性结果。PS-Ba/BMI薄膜在100 µm条纹掩膜下曝光5分钟,导致条纹图案的形成,然后将条纹掩膜板旋转90°后继续照射5分钟,从而获得独特的类似山峰的连续图案。结果表明,基于马来酰亚胺光二聚驱动的迁移,可以通过调整扩散方向和曝光时间来调节每个方向的形态和高度。即使在曲面上,扩散图案也可以光致生长,从而引入了制备功能曲面的新技术。作者还使用具有扩散图案的交联透明涂层来封装集成LED芯片(如图4),以提高光提取效率(LEE)和光散射特性。LED芯片的封装采用100 μm的点阵微图案。通过比较图案化涂层和平面涂层封装的LED芯片发现,相比于平面封装的LED芯片,扩散图案封装的LED芯片的LEE提高了15.3%。平面涂层封装的芯片发光区的平均亮度值为4.8×104 cd m-2,而微图案涂层封装的LED亮度降低为3.4×105 cd m-2。芯片发光区的亮度降低,而空白区的亮度增加,提高了LED的出光均匀性。这种现象可以归因于扩散图案/空气界面可以减少菲涅耳反射,从而导致更多的光逸出和均匀发射。


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图2各种扩散图案及其光衍射图案

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图3在各种基底上制备的扩散图案

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图4图案化涂层封装LED芯片

小结:作者展示了一种使用马来酰亚胺的光诱导定向运动在表面上构筑具有特定功能微图案的策略。该策略的关键在于马来酰亚胺的选择性光二聚诱导单体从未曝光区域迁移到曝光区域和从曝光区的底部迁移至表面,以生成微图案。这种光诱导生长在空间上是可控的,可以精确调节尺寸、成分和形状。体系中的D-A反应还可以进一步增强扩散微图案的稳定性。作者还成功地应用光诱导扩散的方法在曲面上制备图案、构筑微流体通道和图案化封装集成LED芯片。这种基于光二聚诱导扩散的简单图案技术为制造微纳结构、光学器件、人工复眼和功能系统等提供了一种新颖而强大的策略。


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