柔性纳米压印光刻实现了仿生微结构的高效制造

氮化镓（GaN）基发光二极管（LED）以卓越的能效、更长的使用寿命和更大的环境可持续性取代了传统的照明技术，从而改变了照明行业。近年来，在显示设备、增强现实、虚拟现实和其他新兴技术的推动下，LED的小型化趋势受到了相当大的关注

由于缺乏具有成本效益的天然衬底，在蓝宝石衬底上生长的异质外延膜中存在高穿透位错密度是器件性能的主要限制因素。此外，由材料折射率的突然变化引起的外延和衬底之间的界面处的菲涅耳反射降低了光能利用率

蛾类动物复眼上的分布式纳米乳头阵列具有优异的抗反射能力和较强的光吸收能力，为提高光利用率提供了很大的启发。然而，在光电子器件的曲面上快速而精确地处理微观结构是极具挑战性的

“常见的投影光刻方法对衬底的形状非常敏感，因此当衬底具有大的翘曲或不规则形状时，微观结构定义的准确性可能会降低。我们提出了一种灵活的纳米压印光刻技术，可以在曲面上高通量和高质量地处理仿生微观结构，”周胜军教授说

研究人员首先进行了仿生微结构阵列和柔性纳米压印模具的设计。微结构的制造通过热压成型、压印、紫外线曝光和专门设计的两步蚀刻工艺来实现，以获得复眼状二氧化硅微结构（NCSM）模板

研究表明，柔性纳米压印对基底翘曲具有适应性，可以精确定义微观结构，并提供良好的耐久性。与投影光刻相比，生产率提高了6.4倍，经济成本节约了25%

研究人员通过外延生长中断实验研究了GaN晶体在NCSM模板上的生长行为。他们发现，通过NCSM模板调整成核层的形态有助于控制GaN的生长取向，并获得低位错密度的外延膜。此外，由于仿生微结构对光子的调制，NCSM模板可以显著提高器件的光提取效率

刘胜教授表示，“由于这两项改进，基于NCSM模板的微型LED的光输出能力大大增强。”

他总结道，“这项研究有望有效制造微结构和提高光电器件的性能。未来，我们将继续探索柔性纳米压印技术，并期待其显示出更广泛的应用。”

这篇论文发表在《科学公报》杂志上 More information: Siyuan Cui et al, Flexible nanoimprint lithography enables high-throughput manufacturing of bioinspired microstructures on warped substrates for efficient III-nitride optoelectronic devices, Science Bulletin (2024). DOI: 10.1016/j.scib.2024.04.030