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清华航院张一慧课题组在非常规可重构三维细微观结构及微电子器件方面取得重要进展
2018-01-31 11:51:40     毛雪鸥[     ]

1月29日,清华大学航天航空学院张一慧课题组在《自然-材料》(Nature Materials)期刊以长文形式发表了题为《基于多稳态屈曲力学的可重构三维细微观结构和微电子器件》(Morphable 3D mesostructures and microelectronic devices by multistable buckling mechanics)的研究论文,系统报道了一种利用弹性组装平台的变形路径对三维细微观结构几何拓扑进行可逆调控的非线性屈曲力学新方法,进而设计并实现了自适应射频电路、可隐身微型天线等非常规可重构器件。

可重构三维结构在生医器件、微机电系统、机器人和超材料等众多领域具有广泛应用,对科学研究和技术进步起到了关键的推动作用。然而,现有的可重构三维结构的成形技术较为局限,在结构尺度和材料类型这两个关键问题上仍无法兼顾,主要体现在无法适用于微纳米尺度或高性能电子材料,这在很大程度上限制了可重构三维微电子器件的发展。

张一慧课题组和美国西北大学约翰·罗杰斯(John A. Rogers)、黄永刚(清华大学“千人计划”专家)课题组合作,创建出一种基于多稳态屈曲力学的可重构三维结构成形方法。该方法将二维薄膜图案通过压缩力的作用变形成目标三维结构,并通过改变压缩变形的路径实现三维结构在不同构型之间的可逆切换。这一技术不但能应用于多种特征尺度,而且与现代化微电子制备工艺相兼容,适用于导体、半导体、绝缘体等各种材料类型甚至集成电路系统的构建。在《自然材料》的论文中,该研究团队阐述了多稳态屈曲力学方法的设计概念及三维可重构的力学机理,并在此基础上建立了一套系统的可重构结构设计流程,通过二十多组不同结构构型的实验对这一重构策略的可行性进行了验证。根据该方法成形的可隐身微型天线,具有极大的通讯频率范围(6 GHz~30 GHz),并且可以实现工作和隐身两种模式:在工作模式下,天线可以与外界进行通讯;而在隐身模式下,天线由于电磁屏蔽效应,其通讯效率大大降低,因而很难被外界探测到。

图1:两种可重构三维细微观结构的重构过程(上图展示了微型“章鱼”与“蜘蛛”之间的可逆重构过程;下图展示了微型“房子”与“篮子”之间的可逆重构过程)。图案化的二维结构经历双向同时压缩,变形为左侧的“章鱼”或“房子”型结构;经历分布压缩,则变形为右侧的“蜘蛛”或“篮子”型结构。

图2:六个可重构三维细微观结构的结果。构型I对应基底双向同时卸载时得到的组装结果,构型II对应基底分布卸载时得到的组装结果。前四个结构的比例尺表示400微米,其余表示4毫米。

清华大学航院张一慧副教授、美国西北大学约翰·罗杰斯教授和黄永刚教授为本文的共同通讯作者。清华大学航院博士后付浩然和美国伊利诺伊大学博士生南科望为本文的第一作者。清华大学为本文的第一完成单位。该研究成果得到了国家自然科学基金项目、中组部青年千人计划、科技部973计划等项目的资助。(摘自清华新闻网)

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41563-017-0011-3