航院張一慧課題組發(fā)文系統(tǒng)闡述三維微納結(jié)構(gòu)的組裝方法、調(diào)控策略及廣闊應(yīng)用

清華新聞網(wǎng)7月9日電 7月2日，清華大學(xué)航院張一慧副教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際材料科學(xué)領(lǐng)域知名學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)材料》 (Advanced Materials)上在線(xiàn)發(fā)表了綜述文章《通過(guò)卷曲、折疊、共形和屈曲方法實(shí)現(xiàn)微納尺度三維組裝》(Micro/Nanoscale 3D Assembly by Rolling, Folding, Curving, and Buckling Approaches)，系統(tǒng)回顧了微納尺度三維組裝領(lǐng)域的最新進(jìn)展，綜述了三維微納結(jié)構(gòu)在電子/光電子器件、微機(jī)電系統(tǒng)、醫(yī)療器件和細(xì)胞支架等領(lǐng)域的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，該文章對(duì)三維微納組裝技術(shù)的現(xiàn)有挑戰(zhàn)與發(fā)展機(jī)會(huì)進(jìn)行了展望。

電子器件的小型化是微電子領(lǐng)域近幾十年來(lái)研究的一個(gè)重要課題。隨著大規(guī)模IC技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，平面制備工藝和硅器件的尺寸逐漸逼近物理極限。因此，發(fā)展新制備工藝、探索新器件架構(gòu)進(jìn)而延續(xù)和拓展摩爾定律成為科學(xué)界和工業(yè)界共同關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

發(fā)展三維電子器件為克服平面工藝的一些固有挑戰(zhàn)提供了一種解決方案，現(xiàn)有的三維電子器件制備技術(shù)主要分為直接制備技術(shù)和間接組裝技術(shù)。近年來(lái)，對(duì)直接制備技術(shù)的研究主要集中在三維晶體管技術(shù)，三維異構(gòu)集成技術(shù)和三維打印技術(shù)上，但由于三維晶體管和異構(gòu)集成技術(shù)主要基于堆疊思想，其可獲得的三維構(gòu)型種類(lèi)有限且制備工藝復(fù)雜，三維打印技術(shù)在高性能電子材料的適用性和打印速度上存在一定局限性。間接組裝技術(shù)作為另一種三維器件制備途徑，充分利用成熟的平面制備工藝來(lái)制備平面前驅(qū)體，然后通過(guò)力學(xué)組裝的方法將其轉(zhuǎn)化為目標(biāo)三維微結(jié)構(gòu)。三維組裝技術(shù)因其與平面工藝相兼容，可實(shí)現(xiàn)豐富的微納三維結(jié)構(gòu)，可集成多種先進(jìn)電子材料等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)廣受關(guān)注，已經(jīng)發(fā)展出多種三維組裝方法及多種應(yīng)用于不同領(lǐng)域的三維器件。 

四類(lèi)三維組裝方法及其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用

該文章系統(tǒng)回顧了近年來(lái)該領(lǐng)域發(fā)展的主要三維組裝方法，并依據(jù)加載/變形的特點(diǎn)將其總結(jié)為四類(lèi)：卷曲、折疊、共形和屈曲組裝方法。文章分別對(duì)這四類(lèi)組裝方法進(jìn)行了深入的介紹，對(duì)比分析了這幾類(lèi)方法在三維構(gòu)型方面的適用性，并針對(duì)每一類(lèi)方法在電子/光電子器件、微機(jī)電系統(tǒng)、醫(yī)療器件和細(xì)胞支架等領(lǐng)域發(fā)展出的典型器件的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行了介紹，充分體現(xiàn)出三維微納結(jié)構(gòu)在器件功能上所起到的關(guān)鍵性作用。最后，對(duì)三維組裝技術(shù)研究進(jìn)行了小結(jié)，并展望了該領(lǐng)域仍待研究的若干方向。 

基于屈曲組裝方法形成的“蝎子”微結(jié)構(gòu)

在過(guò)去幾年里，張一慧副教授及其合作者基于力學(xué)設(shè)計(jì)和微納制造一體化，將可控屈曲應(yīng)用于微尺度三維結(jié)構(gòu)組裝，建立大變形力學(xué)模型及逆向設(shè)計(jì)方法，并引入剪紙/折紙、疊層和可重構(gòu)設(shè)計(jì)概念，形成了一套可適用于半導(dǎo)體、單晶金屬、二維材料等各種高性能材料和復(fù)雜幾何拓?fù)涞娜S微結(jié)構(gòu)組裝方法，為先進(jìn)三維微器件系統(tǒng)的制備提供了一種重要的新途徑。目前，該團(tuán)隊(duì)已實(shí)現(xiàn)了數(shù)百種具有不同幾何構(gòu)型的高性能三維微結(jié)構(gòu)的制備，并實(shí)現(xiàn)反偵察間諜天線(xiàn)、可調(diào)控集成電路、低頻振動(dòng)能量收集器等新型微器件。自2015年以來(lái)，相關(guān)成果發(fā)表于《科學(xué)》(Science, 347: 154-159, 2015, 封面文章)、《自然材料》(Nature Materials, 17: 268-276, 2018, 封面文章)、《自然綜述—材料》(Nature Reviews Materials, 2: 17019, 2017, 封面文章)、《自然電子》(Nature Electronics, 2, 26-35, 2019, 封面文章)、《自然通訊》(Nature Communications, 8: 15894, 2017)、《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances, 2: e1601014, 2016; 4: eaat8313, 2018)、《美國(guó)科學(xué)院院刊》(PNAS, 112, 11757-11764: 2015; 114: E9455-E9464, 2017; 116: 13239-13248, 2019)等國(guó)際學(xué)術(shù)期刊。

本文通訊作者為清華大學(xué)航院張一慧副教授，清華大學(xué)航院2017級(jí)博士生程旭為本文第一作者。本項(xiàng)工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金委、清華信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目資助。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201901895

供稿：航院

編輯：李華山

審核：周襄楠