复合纳米压印技术

相对于传统纳米压印技术采用的刚性模板，软压印技术以柔性的聚硅氧烷（PDMS）弹性体材料制作模板，由于PDMS材料具有很好的柔韧性，无需外加压力，也可以和衬底保持良好的结合，不仅适于平面衬底，还可应用于具有曲率的非平面衬底，成为微米结构制造领域内的有力工具之一，但PDMS的弹性模量较低，很难制备尺度500纳米以下的纳微结构。近年来，把纳米压印技术的高分辨率、高保真与软压印技术的柔韧性、易贴合性的技术优势相互融合的思想已成为纳米制造加工领域的又一重要的研究和发展方向。

课题组发展了一种纳米压印—软压印复合纳米压印技术，实现了亚15纳米分辨率的无外压紫外光固化纳米压印，并且可在曲面与不规则非平面上加工高分辨率纳米结构。该技术的核心是由弹性支撑层与刚性结构层组成的新型压印模板，把纳米压印刚性模板的高分辨率与软压印弹性模板的易弯曲性的优点有机结合。该模板完全由高分子材料构成，降低了高分辨率压印模板的制备成本。模板的弹性支撑层采用了软压印模板常用的PDMS材料，使得无外加压力条件下模板与压印衬底可紧密贴合；刚性压印结构层由超薄的高度交联的紫外光固化材料构成，不仅提供良好的机械强度，压印出高分辨率的纳米结构，并且有效避免了模板在高度弯曲过程中造成的破裂、裂纹等。模板的双层界面之间通过高分子互穿网络结构达到弹性支撑层与刚性结构层的紧密键合。复合压印技术可以在实验室条件下，更加高效、低成本制备纳米结构，同时把纳米压印的应用范围从简单平面衬底拓展到高曲率曲面和复杂形貌的非平面。复合纳米压印技术对对压印易产生大面积缺陷的问题也有非常好的改善作用。由于纳米压印技术是物理接触式的工作机理，因此环境中存在的微小颗粒在压印过程中会阻隔刚性模板与衬底，使二者无法接触，造成大面积的缺陷，一粒很小的颗粒就能产生颗粒本身面积数倍、甚至数十倍的缺陷。若通过加大压印的压力来降低缺陷的面积，模板在高压下容易破碎，最主要的是在模板与衬底的接触过程中产生的缺陷，极大地影响了成品的良率。如把压印环境提高到极端洁净的程度，又极大地提高了生产成本，给纳米压印的工业化生产带来了不可忽视的阻碍。如采用复合模板，在压印过程中，当柔性的复合模板与涂敷有可固化的低粘度压印胶材料的衬底接触时，液体的毛细力使柔性高分子复合模板可以依附衬底的起伏变化，与衬底紧密贴合，无需施加外力，模板与衬底接触不到的部分被局限在颗粒周围，如进一步减小缺陷的面积，可对复合模板施加小于0.1大气压的压力，PDMS支撑层会按照颗粒的形状发生形变，颗粒凹陷到PDMS中，因此原来由于颗粒而造成的大面积的缺陷，被局限于颗粒本身的大小，有效地改善了纳米压印的缺陷问题，外压也通过PDMS支撑层均匀地施加在整个压印面上。这一技术不仅使得实验室制备纳米结构更加便捷；通过对模板进一步完善并结合相应的压印设备，有可能实现可工业化、更低成本的纳米压印。

Li ZW, Gu YN, Wang L, Ge HX, Wu W, Xia QF, Yuan CS, Chen YF, Cui B, Williams RS. Nano Lett.9(6),2306-10(2009).