研究背景

      光是電磁波，具有幅度、相位（動量）、極化、頻率等豐富的自由度。如何調制與利用這些自由度是光學工程的重要課題。在微納光子學領域中，相關研究往往與超表面（meta-surfaces）這一概念聯系在一起 [1,2]。超表面是由微納尺度的結構單元鋪成的二維平面，每個單元對入射到其位置的光進行調制，所有結構加起來實現對光的總調制。當前幾乎所有常用的光學元件，例如透鏡、偏振鏡、濾光片，都能被體積更小的超表面實現。

      如何獲得一片超表面？這需要經過兩個步驟：設計與加工。對于設計，人們根據擬實現的超表面，對每個結構單元進行參數化，即確定在什么空間位置對反射或透射光的幅度、相位或極化進行怎樣的改變。而后利用仿真軟件，通過掃描結構的幾何與電磁參數，設計出結構單元。雖然設計過程以數值仿真為主，但指導與理解設計依賴于微納光子學中的物理概念，包括諧振、幾何相位、傳播相位等等。

      設計完成后，人們對超表面進行加工。超表面結構單元尺寸通常有幾百納米，而細部尺寸可能僅有幾十納米。電子束光刻 (electron-beam lithography)具有高精度的優勢，是目前人們加工超表面的首選方法。然而電子束光刻受制于成本高、產量低的缺點，不能滿足以應用為主要目的，高產量加工的需求。因此，發展兼具納米精度、成本低、高產量的超表面加工技術是超表面從實驗室走向產品應用的核心關鍵。

論文導讀

      有別于電子束光刻，納米壓印兼具低成本、高產量和高分辨率的優勢[3]。顧名思義，納米壓印通過機械“壓印”的方式將主模板的圖形轉移到另一媒介上，如同印章過程。然而，納米壓印用于超表面加工依然存在著許多問題。首先，超表面通常由折射率較高的材料構成，如TiO₂，Si，金屬等等。而納米壓印的材料一般折射率較低，例如PDMS。因此，壓印完成后通常需要進行二次加工，包括沉積高折射率材料以及蝕刻垂直結構。在此過程中，額外的加工缺陷不可避免被引入，從而破化超表面的光學性能。其次，超表面結構單元常要求高深寬比，例如超表面透鏡。因此，在納米壓印的剝離工序中，需避免剪切力對高深比結構的損壞。

      近日，韓國首爾大學與浦項科技大學的研究人員提出了一種無需二次加工，實現高質量厘米級高深寬比超表面的納米壓印技術，為上述問題提供新的解決思路，相關工作以“Realization of high aspect ratio metalenses by facile nanoimprint lithography using water-soluble stamp”為題發表在PhotoniX 期刊。

主要研究內容

      研究人員提出了一種新型的無需剝離納米壓印技術以加工高深寬比的超表面結構。首先，研究人員基于前期工作，將TiO₂納米顆粒混入到聚合物樹脂中，提高樹脂的折射率[4]。并以混合樹脂為超表面材料，使用納米壓印實現其圖案化。其次，傳統納米壓印一般使用硬質聚二甲基硅氧烷（h-PDMS）為復制模具的材料，當機械剝離混合樹脂與h-PDMS，剪切力會破壞混合樹脂的超表面結構。為解決這一問題，研究員選取水溶性聚乙烯醇（PVA）為模具材料，通過去離子水溶解PVA，實現混合樹脂與PVA的剝離，避免了對超表面結構的破壞。最后，通過所研發的納米壓印技術，研究人員實現了厘米級超表面透鏡的加工。

技術突破

      研究人員提出的納米壓印技術的流程如圖1（b）所示。首先，將TiO₂納米顆粒與聚合物樹脂混合體滴到具有超表面圖案的PVA模具上。在光頻段附近，混合樹脂的折射率在2附近，損耗幾乎為0，如圖1（a）所示。此外，PVA模具通過光刻加工的硅模板壓印PVA薄膜而成。圖1（e）-（h）展示了不同結構與尺寸的PVA模具。接著，將混合樹脂均勻旋涂在PVA表面，并在混合樹脂層上覆蓋基底（例如玻璃）。然后，施加5 bar 的壓力，并在紫外線下照射 40 分鐘。在這一過程中，PVA的圖案轉移到固化的混合樹脂上。最后，將黏附在一起的PVA模具與基底浸入離子水中4小時。由于 PVA 是水溶性聚合物， PVA 溶解，僅留下混合樹脂納米結構在基底上。在該技術中，最為關鍵的創新是選取PVA為模具材料，并通過水溶PVA剝離出超表面結構。

      如圖2所示。基于所提出的納米壓印技術，研究人員在不同襯底上（包括平面玻璃， 柔性聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜，凸面與凹面襯底）成功加工出了厘米級的超表面透鏡，展示出該技術的應用前景。

觀點評述

      該研究提出了一種基于PVA水溶性模具來加工高深寬比超表面的納米壓印技術。與使用h-PDMS材料的傳統納米壓印技術相比，該技術使用水溶性PVA，避免了機械剝離對超表面結構的破化。此外，研究展示了提出的納米壓印技術可實現厘米級超表面透鏡的加工。需指出的該項研究仍有以下幾點或值得深入。首先，目前構成超表面的混合樹脂僅嘗試了TiO₂納米顆粒，是否可利用更高折射率的納米顆粒（例如Si和Ge）仍有待研究。此外，PVA模具由于被水溶解，無法被重復使用，如何提高模具的重復使用率同時又保持超表面加工質量，需要開拓新的思路。

主要作者

      Junsuk Rho，博士，浦項科技大學 (POSTECH) 機械工程系和化學工程系講座教授，POSCO-POSTECH-RIST平面光學和超光子學融合研究中心的主任，研究方向為納米科學與工程。他曾在美國勞倫斯伯克利國家實驗室材料科學部擔任博士后研究員，并在阿貢國立大學納米科學與技術部擔任 Ugo Fano 研究員。