Feature Article：便捷加工厘米级超表面透镜——基于水溶性模具的纳米压印技术

研究背景

      光是电磁波，具有幅度、相位（动量）、极化、频率等丰富的自由度。如何调制与利用这些自由度是光学工程的重要课题。在微纳光子学领域中，相关研究往往与超表面（meta-surfaces）这一概念联系在一起 [1,2]。超表面是由微纳尺度的结构单元铺成的二维平面，每个单元对入射到其位置的光进行调制，所有结构加起来实现对光的总调制。当前几乎所有常用的光学元件，例如透镜、偏振镜、滤光片，都能被体积更小的超表面实现。

      如何获得一片超表面？这需要经过两个步骤：设计与加工。对于设计，人们根据拟实现的超表面，对每个结构单元进行参数化，即确定在什么空间位置对反射或透射光的幅度、相位或极化进行怎样的改变。而后利用仿真软件，通过扫描结构的几何与电磁参数，设计出结构单元。虽然设计过程以数值仿真为主，但指导与理解设计依赖于微纳光子学中的物理概念，包括谐振、几何相位、传播相位等等。

      设计完成后，人们对超表面进行加工。超表面结构单元尺寸通常有几百纳米，而细部尺寸可能仅有几十纳米。电子束光刻 (electron-beam lithography)具有高精度的优势，是目前人们加工超表面的首选方法。然而电子束光刻受制于成本高、产量低的缺点，不能满足以应用为主要目的，高产量加工的需求。因此，发展兼具纳米精度、成本低、高产量的超表面加工技术是超表面从实验室走向产品应用的核心关键。

论文导读

      有别于电子束光刻，纳米压印兼具低成本、高产量和高分辨率的优势[3]。顾名思义，纳米压印通过机械“压印”的方式将主模板的图形转移到另一媒介上，如同印章过程。然而，纳米压印用于超表面加工依然存在着许多问题。首先，超表面通常由折射率较高的材料构成，如TiO₂，Si，金属等等。而纳米压印的材料一般折射率较低，例如PDMS。因此，压印完成后通常需要进行二次加工，包括沉积高折射率材料以及蚀刻垂直结构。在此过程中，额外的加工缺陷不可避免被引入，从而破化超表面的光学性能。其次，超表面结构单元常要求高深宽比，例如超表面透镜。因此，在纳米压印的剥离工序中，需避免剪切力对高深比结构的损坏。

      近日，韩国首尔大学与浦项科技大学的研究人员提出了一种无需二次加工，实现高质量厘米级高深宽比超表面的纳米压印技术，为上述问题提供新的解决思路，相关工作以“Realization of high aspect ratio metalenses by facile nanoimprint lithography using water-soluble stamp”为题发表在PhotoniX 期刊。

主要研究内容

      研究人员提出了一种新型的无需剥离纳米压印技术以加工高深宽比的超表面结构。首先，研究人员基于前期工作，将TiO₂纳米颗粒混入到聚合物树脂中，提高树脂的折射率[4]。并以混合树脂为超表面材料，使用纳米压印实现其图案化。其次，传统纳米压印一般使用硬质聚二甲基硅氧烷（h-PDMS）为复制模具的材料，当机械剥离混合树脂与h-PDMS，剪切力会破坏混合树脂的超表面结构。为解决这一问题，研究员选取水溶性聚乙烯醇（PVA）为模具材料，通过去离子水溶解PVA，实现混合树脂与PVA的剥离，避免了对超表面结构的破坏。最后，通过所研发的纳米压印技术，研究人员实现了厘米级超表面透镜的加工。

技术突破

      研究人员提出的纳米压印技术的流程如图1（b）所示。首先，将TiO₂纳米颗粒与聚合物树脂混合体滴到具有超表面图案的PVA模具上。在光频段附近，混合树脂的折射率在2附近，损耗几乎为0，如图1（a）所示。此外，PVA模具通过光刻加工的硅模板压印PVA薄膜而成。图1（e）-（h）展示了不同结构与尺寸的PVA模具。接着，将混合树脂均匀旋涂在PVA表面，并在混合树脂层上覆盖基底（例如玻璃）。然后，施加5 bar 的压力，并在紫外线下照射 40 分钟。在这一过程中，PVA的图案转移到固化的混合树脂上。最后，将黏附在一起的PVA模具与基底浸入离子水中4小时。由于 PVA 是水溶性聚合物， PVA 溶解，仅留下混合树脂纳米结构在基底上。在该技术中，最为关键的创新是选取PVA为模具材料，并通过水溶PVA剥离出超表面结构。

      如图2所示。基于所提出的纳米压印技术，研究人员在不同衬底上（包括平面玻璃， 柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜，凸面与凹面衬底）成功加工出了厘米级的超表面透镜，展示出该技术的应用前景。

观点评述

      该研究提出了一种基于PVA水溶性模具来加工高深宽比超表面的纳米压印技术。与使用h-PDMS材料的传统纳米压印技术相比，该技术使用水溶性PVA，避免了机械剥离对超表面结构的破化。此外，研究展示了提出的纳米压印技术可实现厘米级超表面透镜的加工。需指出的该项研究仍有以下几点或值得深入。首先，目前构成超表面的混合树脂仅尝试了TiO₂纳米颗粒，是否可利用更高折射率的纳米颗粒（例如Si和Ge）仍有待研究。此外，PVA模具由于被水溶解，无法被重复使用，如何提高模具的重复使用率同时又保持超表面加工质量，需要开拓新的思路。

主要作者

      Junsuk Rho，博士，浦项科技大学 (POSTECH) 机械工程系和化学工程系讲座教授，POSCO-POSTECH-RIST平面光学和超光子学融合研究中心的主任，研究方向为纳米科学与工程。他曾在美国劳伦斯伯克利国家实验室材料科学部担任博士后研究员，并在阿贡国立大学纳米科学与技术部担任 Ugo Fano 研究员。