清華航院張一慧課題組合作在三維微結(jié)構(gòu)及器件快速組裝與重構(gòu)方面取得重要進(jìn)展
清華新聞網(wǎng)11月7日電 11月4日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院張一慧副教授團(tuán)隊(duì)在《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review）期刊發(fā)表了題為《基于介電彈性體組裝平臺(tái)的可重構(gòu)三維細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)與電子器件的力電耦合組裝》（Electro-mechanically controlled assembly of reconfigurable 3D mesostructures and electronic devices based on dielectric elastomer platforms）的研究論文，系統(tǒng)報(bào)道了一種利用介電彈性體組裝平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的三維微結(jié)構(gòu)快速可控組裝與重構(gòu)的新方法，并基于此方法設(shè)計(jì)制備了一種諧振頻率可調(diào)的可重構(gòu)三維電容器件。
近年來(lái)，三維細(xì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)在微機(jī)電系統(tǒng)、微電子器件、生物器件、超材料等領(lǐng)域展現(xiàn)了重要的應(yīng)用前景，相關(guān)三維結(jié)構(gòu)的制備方法也受到了廣泛的關(guān)注。最近發(fā)展起來(lái)的基于力學(xué)引導(dǎo)的屈曲組裝方法，在與平面微加工工藝結(jié)合的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)三維細(xì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)的精確組裝，同時(shí)也適用于多種功能材料和特征尺度。然而，到目前為止，該組裝方法既無(wú)法實(shí)現(xiàn)不同三維構(gòu)型間的快速重構(gòu)，也很難實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的局部可控組裝。上述兩點(diǎn)在一定程度上限制了該方法在組裝復(fù)雜可重構(gòu)三維結(jié)構(gòu)方面的能力，特別是一些有特殊需求的可重構(gòu)三維微電子器件。
為解決上述問(wèn)題，航院張一慧課題組提出了一種利用介電彈性體組裝平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的三維結(jié)構(gòu)快速組裝與重構(gòu)的方法。該方法利用介電彈性體平面驅(qū)動(dòng)器的快速電致變形，通過(guò)采用電致變形區(qū)域的圖案化設(shè)計(jì)等策略，結(jié)合力-電耦合的驅(qū)動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜三維構(gòu)型的快速組裝與重構(gòu)。該組裝策略同樣適用于廣泛的材料種類(lèi)和結(jié)構(gòu)特征尺度。
在該《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》論文中，研究團(tuán)隊(duì)首先闡述了利用介電彈性體組裝平臺(tái)實(shí)現(xiàn)三維組裝的一系列設(shè)計(jì)概念；提出了基于力-電耦合力學(xué)分析的設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)理論、有限元仿真和實(shí)驗(yàn)三方面對(duì)該設(shè)計(jì)方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證；給出了近30種基于該組裝策略的三維構(gòu)型，驗(yàn)證了該策略在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的快速組裝與重構(gòu)方面的巨大優(yōu)勢(shì)；基于該組裝策略，設(shè)計(jì)并制備了一種諧振頻率可調(diào)的三維可重構(gòu)電容器件，為三維微電子器件的快速組裝與重構(gòu)提供了一種新的實(shí)現(xiàn)途徑。
圖1：基于介電彈性體驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的電控三維組裝過(guò)程示意圖，比例尺為8 mm 。
圖2：A圖為基于介電彈性體組裝平臺(tái)的電控三維組裝構(gòu)型展示，其中灰色區(qū)域?yàn)殡姌O。比例尺為6mm。B圖為利用電控三維組裝得到的類(lèi)青蛙結(jié)構(gòu)。比例尺為10mm。C圖為利用力-電耦合加載得到的一種三維可重構(gòu)結(jié)構(gòu)，構(gòu)型I對(duì)應(yīng)基底同步卸載后得到的組裝結(jié)果，構(gòu)型II為在構(gòu)型I基礎(chǔ)上進(jìn)行電控組裝得到的組裝結(jié)果，比例尺為10mm。
圖3：A圖為可重構(gòu)電容器件的有限元仿真圖，U3代表離面位移。B圖為該可重構(gòu)LC電路在四種狀態(tài)下入射信號(hào)的回波損耗曲線(xiàn)（S11）。C圖為利用該LC電路實(shí)現(xiàn)的亮度可調(diào)的LED演示實(shí)驗(yàn)。
清華大學(xué)航院長(zhǎng)聘副教授張一慧為本文的通訊作者。清華大學(xué)航院2017級(jí)博士生龐文博為本文的第一作者。合作單位包括浙江大學(xué)李鐵風(fēng)教授課題組和合肥工業(yè)大學(xué)黃文教授課題組。該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃和清華信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的支持。
論文鏈接:
https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwz164/5610793
供稿：航院
編輯：李華山
審核：周襄楠
