上海交大臧法珩及合作團(tuán)隊(duì)在柔性力學(xué)發(fā)光與可視化傳感領(lǐng)域取得新進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海交通大學(xué)集成電路學(xué)院(信息與電子工程學(xué)院)微米納米加工技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室臧法珩副教授團(tuán)隊(duì)在柔性力學(xué)發(fā)光與可視化傳感領(lǐng)域取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)通過(guò)在機(jī)械致發(fā)光(Mechanoluminescence, ML)薄膜上構(gòu)建微米-納米多尺度層級(jí)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在單片柔性薄膜上對(duì)受力信息的像素化、高分辨顯示，相關(guān)成果以 “Visually encoded mechanoluminescence through hierarchical structuring with microscale patterns and nanoscale features” (基于微納層級(jí)化結(jié)構(gòu)的視覺編碼機(jī)械發(fā)光)為題，發(fā)表在期刊《Nature Communications》上。
 

　　研究背景
 

　　機(jī)械致發(fā)光：從“會(huì)亮”到“看得清”：機(jī)械致發(fā)光(Mechanoluminescence, ML)是在無(wú)外部光源條件下由按壓、拉伸、彎折等機(jī)械作用直接觸發(fā)發(fā)光的過(guò)程，具有無(wú)源、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，被廣泛看好用于防偽、動(dòng)態(tài)顯示、應(yīng)力監(jiān)測(cè)和柔性人機(jī)界面等應(yīng)用。但傳統(tǒng)ML薄膜普遍存在兩大難題：發(fā)光效率偏低，在自然光和低應(yīng)力下不夠亮；發(fā)光區(qū)域模糊，難以清晰區(qū)分受力位置和強(qiáng)度，更談不上“像素級(jí)”成像。以上瓶頸使得ML器件距離真正的“視覺力傳感器”仍有明顯差距。
 

　　創(chuàng)新成果
 

　　本項(xiàng)工作創(chuàng)新性地提出了一個(gè)研究思路：在保持發(fā)光材料體系不變的前提下，通過(guò)幾何結(jié)構(gòu)與層級(jí)設(shè)計(jì)來(lái)系統(tǒng)重構(gòu)“力-光”轉(zhuǎn)換鏈路。團(tuán)隊(duì)將問(wèn)題拆解為兩個(gè)“通道”：
 

　　力學(xué)通道：如何通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，讓薄膜內(nèi)部的應(yīng)力更加集中、分布更可控，從而高效“點(diǎn)亮”目標(biāo)區(qū)域的ML中心。
 

　　光學(xué)通道：如何減少界面反射和內(nèi)部“困光”，提高光子從薄膜內(nèi)部“逃逸”出來(lái)的概率，提升可見亮度和圖像對(duì)比度。
 

　　解決這兩個(gè)通道，就有望在一張連續(xù)薄膜上實(shí)現(xiàn)清晰、可編程、可設(shè)計(jì)的力學(xué)發(fā)光圖案。
 

圖1 使用多尺度結(jié)構(gòu)的大熊貓圖案分層編碼模式
 

　　本項(xiàng)工作在同一 ZnS:Cu–PDMS 薄膜中同時(shí)優(yōu)化應(yīng)力傳遞和光子外耦合。研究團(tuán)隊(duì)在膜中構(gòu)筑了兩個(gè)微納米層級(jí)結(jié)構(gòu)：
 

　　微米級(jí)凸柱/凹孔陣列(約40–100µm)：通過(guò)幾何邊界和周長(zhǎng)/面積比調(diào)控，將應(yīng)力有選擇地集中或重分布到目標(biāo)區(qū)域。
 

　　納米級(jí)蜂窩狀表面紋理(微米級(jí)直徑、百納米級(jí)線寬與間距)：通過(guò)多尺度散射抑制全內(nèi)反射和損耗，顯著提升光子“逃出”薄膜的效率。
 

　　兩級(jí)結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，在不改變ML材料配方的前提下，將“在哪兒受力”和“哪里更亮”緊密耦合起來(lái)。
 

圖2 通過(guò)分層多尺度結(jié)構(gòu)增強(qiáng)機(jī)械發(fā)光薄膜發(fā)光的機(jī)制
 

　　一張薄膜，一塊“力學(xué)屏”：在上述層級(jí)結(jié)構(gòu)加持下，ML薄膜在綠光波段(約 521nm)發(fā)光強(qiáng)度相較平面薄膜提升超300%，圖像對(duì)比度和邊界清晰度顯著增強(qiáng)。通過(guò)合理排布不同微結(jié)構(gòu)單元，團(tuán)隊(duì)在一張連續(xù)薄膜上“寫入”了熊貓等圖案信息：在應(yīng)變作用下，預(yù)編碼的熊貓圖案被清晰點(diǎn)亮；有效空間分辨率約637 PPI，大幅提升；全程無(wú)需外加光源或電源，也無(wú)需逐像素電極布線，信息完全由結(jié)構(gòu)決定。這證明，一張ML薄膜可以像一塊“受力自發(fā)光的像素屏”，以預(yù)設(shè)計(jì)的方式顯示力學(xué)信息。
 

圖3 可編程視覺信息檢索和存儲(chǔ)
 

　　通過(guò)將應(yīng)力場(chǎng)工程與光子管理相結(jié)合，該平臺(tái)支持實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)力可視化、被動(dòng)式薄膜應(yīng)力傳感。此技術(shù)使用了光刻、壓印等工業(yè)級(jí)圖形化技術(shù)，因此此項(xiàng)薄膜應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法可擴(kuò)展到更大的監(jiān)測(cè)區(qū)域、生成更豐富的預(yù)編碼圖案庫(kù)，并通過(guò)力致發(fā)光材料選擇或分層實(shí)現(xiàn)多種色彩呈現(xiàn)。該項(xiàng)技術(shù)成功將柔性薄膜和柔性結(jié)構(gòu)的內(nèi)部力學(xué)場(chǎng)轉(zhuǎn)化為像素級(jí)光學(xué)信息，并提供了一種較為通用的結(jié)構(gòu)-光學(xué)協(xié)同設(shè)計(jì)方案。
 

　　論文信息
 

　　該研究工作的第一作者為上海交通大學(xué)集成電路學(xué)院(信息與電子工程學(xué)院)博士生馬曉樂(lè)，上海交通大學(xué)溥淵未來(lái)技術(shù)學(xué)院宿智娟助理研究員與上海交通大學(xué)集成電路學(xué)院(信息與電子工程學(xué)院)、微米納米加工技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室臧法珩副教授，為論文共同通訊作者。該工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金委面上基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)、上海交通大學(xué)深藍(lán)基金等科研項(xiàng)目的資助，得到上海交通大學(xué)先進(jìn)電子材料與器件平臺(tái)(AEMD)和上海交通大學(xué)分析測(cè)試中心的加工測(cè)試支持。
 

　　臧法珩副教授為集成電路學(xué)院MEMS多元兼容集成制造技術(shù)團(tuán)隊(duì)核心成員。課題組長(zhǎng)期從事MEMS集成微系統(tǒng)、納米光學(xué)器件、微納生化傳感器的設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用研究，并在近年內(nèi)形成了關(guān)鍵尺寸涵蓋亞十納米至百微米級(jí)的功能器件微納跨尺度集成制造能力。