超透鏡，登上Nature，工業(yè)化量產(chǎn)！

突破性卷對(duì)卷納米壓印技術(shù)實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光超透鏡工業(yè)化量產(chǎn)

超表面因其在亞波長(zhǎng)尺度上操控光的能力，在過(guò)去二十年中得到了廣泛研究，在波導(dǎo)、透鏡、全息、光束偏折、彩色濾波和成像等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。其中，超透鏡作為傳統(tǒng)笨重透鏡的緊湊、輕量化替代品，能夠?qū)崿F(xiàn)高數(shù)值孔徑、消色差成像、可調(diào)焦和邊緣檢測(cè)等先進(jìn)功能。然而，盡管性能卓越，超表面向工業(yè)規(guī)模應(yīng)用的轉(zhuǎn)型一直受到制造成本高、良率低和工藝復(fù)雜的阻礙。早期的可擴(kuò)展制造探索了自下而上組裝和隨機(jī)納米顆粒方法，但犧牲了結(jié)構(gòu)精度和設(shè)計(jì)靈活性；而深紫外光刻雖能提供晶圓級(jí)高保真圖案化，卻依賴(lài)昂貴的半導(dǎo)體工藝。納米壓印光刻雖成為有前景的替代方案，但傳統(tǒng)工藝受限于手動(dòng)操作、自動(dòng)化程度低或鎳模具成本過(guò)高等問(wèn)題。

近日，成均館大學(xué)Gyoujin Cho教授、Inki Kim教授和浦項(xiàng)科技大學(xué)Junsuk Rho教授合作，展示了利用卷對(duì)卷納米壓印技術(shù)實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光超透鏡的大規(guī)模、低成本、全自動(dòng)化工業(yè)化生產(chǎn)，生產(chǎn)速率高達(dá)每秒300個(gè)超透鏡，成本與傳統(tǒng)折射光學(xué)元件相當(dāng)甚至更低。通過(guò)原子層沉積高折射率二氧化鈦層，器件光學(xué)性能得到顯著提升，實(shí)驗(yàn)表征證實(shí)了全圖案區(qū)域的高光學(xué)效率和高均勻性。這項(xiàng)工作為超表面技術(shù)從學(xué)術(shù)研究走向?qū)嶋H應(yīng)用鋪平了道路。相關(guān)論文以“300-unit-per-second roll-to-roll manufacturing of visible metalenses”為題，發(fā)表在Nature上。

研究團(tuán)隊(duì)首先設(shè)計(jì)并搭建了一套定制化的卷對(duì)卷紫外納米壓印系統(tǒng)（圖1a）。整個(gè)工藝流程分為兩步：首先，利用ArF浸沒(méi)式掃描光刻機(jī)在300毫米晶圓上制作包含450個(gè)1厘米直徑超透鏡的母版（圖1a左），然后通過(guò)紫外納米壓印將母版圖案直接復(fù)制到柔性聚合物復(fù)制模具上（圖1a右）。第二步，將該柔性模具應(yīng)用于卷對(duì)卷系統(tǒng)，該系統(tǒng)由樹(shù)脂涂布、壓印固化單元和收卷三部分組成。圖1b和1c展示了在200米長(zhǎng)、275毫米寬的PET薄膜上連續(xù)生產(chǎn)的超透鏡，其鮮艷的色彩表明納米結(jié)構(gòu)被良好復(fù)制。圖1d顯示了完整的300毫米晶圓級(jí)超透鏡陣列，圖1e的掃描電鏡圖像則確認(rèn)了超原子結(jié)構(gòu)的成功制備。

圖1 | 大面積超透鏡陣列的大規(guī)模制造流程。 a, 制造流程示意圖：左側(cè)為通過(guò)ArF浸沒(méi)式掃描光刻機(jī)制備的300毫米晶圓母版；右側(cè)為紫外納米壓印的柔性聚合物模具。a??, 卷對(duì)卷紫外納米壓印平臺(tái)的大規(guī)模超透鏡生產(chǎn)示意圖，展示了壓印單元的放大視圖。b, 卷對(duì)卷平臺(tái)收卷單元處收集的制造完成的超透鏡照片。c, 在275毫米寬PET薄膜上通過(guò)卷對(duì)卷壓印的大面積超透鏡照片。比例尺，50厘米。d, 通過(guò)卷對(duì)卷工藝復(fù)制的完整300毫米晶圓級(jí)超透鏡陣列的放大照片。e, 最終制造完成的超透鏡的掃描電鏡圖像。比例尺，1微米。

為了實(shí)現(xiàn)高效的光學(xué)性能，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了基于Pancharatnam-Berry相位原理的超原子結(jié)構(gòu)（圖2）。當(dāng)右旋圓偏振光入射時(shí)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)各向異性超原子的角度，可使交叉偏振分量獲得2θ的相位偏移，從而實(shí)現(xiàn)0到2π的完整相位覆蓋。然而，單純使用低折射率（約1.5）的壓印樹(shù)脂時(shí)，光無(wú)法被有效限制在結(jié)構(gòu)內(nèi)（圖2a、2b），導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率低下（圖2c，僅約10%）。為解決這一問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)采用混合材料策略：在壓印后的超原子上通過(guò)原子層沉積包覆高折射率的二氧化鈦薄膜（圖2e）。圖2d顯示二氧化鈦在可見(jiàn)光波段具有高折射率，且折射率差隨膜厚增加而增大。即使僅包覆23納米的二氧化鈦，轉(zhuǎn)換效率也從10%大幅提升至90%（圖2f、2g）。得益于幾何相位的寬帶特性，該超透鏡在450納米、532納米和635納米波長(zhǎng)下分別保持了68%、90%和80%的高效率（圖2h）。

圖2 | 基于卷對(duì)卷兼容的高折射率混合材料的高效超原子設(shè)計(jì)。 a、e, 由純樹(shù)脂（a）和由樹(shù)脂與二氧化鈦薄膜組成的混合材料（e）構(gòu)成的超原子示意圖。b、f, 純樹(shù)脂超原子（b）和混合材料超原子（f）的模擬電場(chǎng)分布。c、g, 純樹(shù)脂超原子（c）和混合材料超原子（g）的模擬轉(zhuǎn)換效率。d, 計(jì)算得到的折射率差隨二氧化鈦厚度的變化關(guān)系。h, 純樹(shù)脂和混合材料超原子的轉(zhuǎn)換效率隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系。周期，P；高度，H。

在卷對(duì)卷生產(chǎn)工藝中（圖3a），紫外樹(shù)脂通過(guò)定制化的邁耶棒系統(tǒng)均勻涂布在運(yùn)行的PET薄膜上（圖3b）。柔性聚合物復(fù)制模具被包裹在金屬壓印輥上（圖3c），在壓印輥與對(duì)輥的共同作用下，樹(shù)脂被壓入模具圖案，同時(shí)紫外光照射使其固化，隨后在支撐輥處完成脫模，最終由收卷輥收集成品（圖3d、3e）。與傳統(tǒng)昂貴的電鑄鎳模具不同，本研究直接采用紫外樹(shù)脂在PET背板上復(fù)制母版得到柔性聚合物模具，大幅降低了成本。圖3f至3i的掃描電鏡圖像顯示，模具和壓印結(jié)構(gòu)均實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量保真復(fù)制。圖3j中不同視角下觀察到的鮮艷結(jié)構(gòu)色進(jìn)一步證實(shí)了納米特征的優(yōu)異質(zhì)量。

圖3 | 通過(guò)卷對(duì)卷紫外納米壓印工藝進(jìn)行大面積超透鏡的大規(guī)模制造。 a, 大面積超透鏡陣列的卷對(duì)卷制造流程示意圖，展示了各道工序。b, 使用定制邁耶棒系統(tǒng)在PET薄膜上均勻涂布的紫外樹(shù)脂。c, 包裹在金屬壓印輥上的柔性聚合物復(fù)制模具（壓印固化單元）。d、e, 在運(yùn)行的PET薄膜上連續(xù)制造的超透鏡陣列。f、h, 復(fù)制模具的掃描電鏡圖像。g、i, 在PET薄膜上壓印的超透鏡的掃描電鏡圖像。j, 在不同視角下從壓印的超透鏡陣列上觀察到的鮮艷結(jié)構(gòu)色。比例尺，f、h為1微米；g、i為1微米。

光學(xué)表征結(jié)果（圖4）顯示，所制備的超透鏡在設(shè)計(jì)焦距處形成了清晰的聚焦光斑（圖4a），半高寬接近衍射極限。在白光照明下，從卷材上隨機(jī)截取的200毫米寬樣品中的所有超透鏡均表現(xiàn)出聚焦功能（圖4b）。為定量評(píng)估均勻性，研究團(tuán)隊(duì)測(cè)量了300毫米晶圓級(jí)超透鏡陣列中央10×10陣列的聚焦效率（圖4c），平均效率為47.2%，標(biāo)準(zhǔn)差僅3.2%，100個(gè)透鏡中僅有兩個(gè)效率低于40%。進(jìn)一步沿整個(gè)300毫米晶圓級(jí)陣列的x軸方向測(cè)量聚焦效率（圖4d），平均值為49.4%，偏差為2.9%，證實(shí)了大面積范圍內(nèi)的均勻性能。此外，沿200米卷材不同長(zhǎng)度處測(cè)量的中央透鏡效率保持一致（51.5%、47.5%、48.3%、47.0%），且不同壓印壓力下（5至45 kgf/cm2）的效率也基本穩(wěn)定，表明工藝具有良好的重復(fù)性和魯棒性。

圖4 | 卷對(duì)卷壓印超透鏡的光學(xué)表征。 a, 在450、532和635納米波長(zhǎng)下焦平面處的二維強(qiáng)度分布。b, 從卷材上切取的200毫米寬卷對(duì)卷壓印超透鏡照片，展示了在白光下將光聚焦到一張紙上的效果。c, 在b圖所示卷對(duì)卷壓印超透鏡陣列中央10×10陣列內(nèi)測(cè)得的聚焦效率，顯示了中心區(qū)域的均勻性能。d, 沿300毫米晶圓級(jí)卷對(duì)卷壓印超透鏡陣列x軸不同區(qū)域測(cè)得的超透鏡聚焦效率，突出顯示了整個(gè)面積上的性能均勻性。

綜上所述，本研究通過(guò)定制化卷對(duì)卷納米壓印系統(tǒng)，以每秒300個(gè)透鏡的高通量、低成本、全自動(dòng)化的方式實(shí)現(xiàn)了超透鏡的工業(yè)化規(guī)模制造。通過(guò)精心優(yōu)化模具制備及卷速、張力和壓印條件等關(guān)鍵工藝參數(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了低至80納米的特征分辨率。結(jié)合紫外固化樹(shù)脂與原子層沉積二氧化鈦薄膜的混合材料策略，光學(xué)性能得到顯著提升，在全300毫米晶圓上實(shí)現(xiàn)了約49%的效率。盡管在規(guī)模化生產(chǎn)中，原位計(jì)量與質(zhì)量控制以及沉積步驟的產(chǎn)能提升仍是未來(lái)需要進(jìn)一步研究的方向（如采用空間分隔原子層沉積系統(tǒng)），但這項(xiàng)工作標(biāo)志著超表面技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室研究邁向商業(yè)應(yīng)用的重要里程碑，對(duì)可擴(kuò)展的超光學(xué)制造具有深遠(yuǎn)意義。