福州大学吴朝兴等：阴影辅助的侧壁发射技术：采用常规UV光刻技术实现亚微米线宽光源

研究背景

微型光源是在微纳米尺度上研究光与物质之间相互作用的重要工具，涵盖多个学科的不同应用。虽然在减小微型光源尺寸和提高光源阵列分辨率等方面已经进行了大量的研究，但由于需要依赖精密微纳加工技术和先进加工设备，实现超高分辨率微型光源的高效制造仍然具有挑战性。因此，开发简单高效的微型光源制造工艺，特别是亚微米光源，对于其大规模应用具有重要价值。

Shadow-Assisted Sidewall Emission for Achieving Submicron Linewidth Light Source by Using Normal UV Photolithography

Junlong Li, Yanmin Guo, Kun Wang, Wei Huang, Hao Su, Wenhao Li, Xiongtu Zhou, Yongai Zhang, Tailiang Guo & Chaoxing Wu*

Nano-Micro Letters (2025)17: 228

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01737-w

本文亮点

1. 工艺简单：采用常规的UV光刻工艺就能制备亚微米光源，并且能够实现具有任意图案的红绿蓝亚微米光源，线宽低至470 nm。

2. 技术创新：提出了一种新颖高效的亚微米光源制造方法，即阴影辅助侧壁发射技术。利用光刻过程中产生的侧壁效应在亚微米尺度实现光输出。

3. 应用前景广阔：通过阴影辅助侧壁发射技术制造的亚微米光源具有很强的可扩展性，初步展示了在光学防伪领域的应用。

内容简介

微型光源的核心特性是能够在微米甚至亚微米空间范围内产生光输出，可以精确控制光与物质之间相互作用的区域，从而获得亚微米尺度的信息。这种高精度的控制能力在多个光电领域都具有重要意义。然而，微型光源的制造过程较为复杂，并且依赖于先进的复杂制造技术。福州大学吴朝兴团队提出了一种简单高效的解决方案——阴影辅助侧壁发射技术(SASE)。研究团队利用常规的UV光刻过程中产生的侧壁效应，制造了具有超高分辨率和线宽低至470 nm的量子点亚微米光源。该亚微米光源结构简单，制造工艺易于操作，不依赖于精密的微纳加工设备，避免了传统微纳制造技术的复杂性。本论文详细讨论了光刻过程中的曝光剂量和显影时间，金属薄膜厚度这些因素对于亚微米光源线宽的影响，对亚微米光源的形成机制进行了深入分析。通过SASE技术，研究团队成功展示了红色、绿色和蓝色的亚微米光源，并且制备出各种图案的亚微米光源。在制备的过程中，研究团队发现该方法不仅能够运用在刚性衬底上，同时能够兼容柔性衬底。因此，通过柔性衬底和亚微米光源的有效集成，成功将这项技术应用于光学防伪领域。SASE技术为微型光源的研究和应用提供了新的思路。

图文导读

I SASE器件的设计与制备

器件的制备主要是通过常规的UV光刻工艺和热蒸镀工艺(图1 a)，不依赖于精密的加工设备和复杂的加工过程。SASE器件的设计原理图如图1 b所示，主要包括以下几个部分：(1)量子点(QDs)薄膜，光致发光材料作为光源；(2)半透明的Ag薄膜，使入射光能够进入QDs薄膜，并作为出射光的发射窗口；(3)不透明的Ag薄膜，保证光仅从发射窗口发射；(4)光敏聚合物层(PP)，引导光在器件内部传输。通过SEM和荧光显微镜可以看出所制备的器件具有十分简单的结构，并能够实现亚微米级别的发光线宽(图1 c-g)。

图1. SASE器件的设计与制备。a SASE器件的制备工艺；b SASE器件的设计示意图；c SASE器件横截面的扫描电子显微镜(SEM)图像；d SASE器件的工作原理；e 阵列的表面形貌，插图：放大的SEM图像；f、g 无Ag薄膜和有Ag薄膜阵列的荧光显微镜图像。

II SASE器件的特性

在器件制备过程中，工艺参数(曝光剂量、显影时间和金属厚度)会对器件的结构产生影响，这其中包括侧壁宽度，侧壁倾斜角，发光峰间距，Ag薄膜厚度和侧壁Ag薄膜厚度(图2 a)。图2 b-d展示了不同曝光剂量(150 mJ/cm2、170 mJ/cm2、190 mJ/cm2和210 mJ/cm2)对于亚微米光源的影响。随着曝光剂量的增加，发光线宽呈现出先变小后展宽的趋势，在170 mJ/cm2的曝光剂量下，达到了最小发光线宽。进一步研究发现侧壁倾斜角与发光线宽有着相同的变化趋势，但是与侧壁宽度的变化趋势相反，这意味着曝光剂量通过改变器件的结构参数影响了发光线宽。此外，显影过程在去除了被曝光区域的同时，也消除了该区域下方的QDs。研究表明显影时间的延长(30 s、50 s和70 s)不仅影响到发光图案的尺寸，而且会导致亚微米光源的线宽减小(图 2 e-g)。除了光刻工艺以外，Ag金属薄膜的制备也对亚微米光源有着重要的影响。通过热蒸镀工艺，在图案化阵列上制备Ag金属薄膜。金属薄膜的厚度(65 nm、85 nm、105 nm和125 nm)与发光强度和发光线宽几乎呈现线性关系。沉积的Ag金属薄膜越厚，发光强度就越弱，发光线宽越小(图2 h-j)。侧壁Ag金属薄膜的增加阻碍了侧壁的光发射是造成这一现象的主要原因。

图2. 亚微米光源的发光线宽与各因素之间的关系。a 制备过程中的结构参数示意图；在不同曝光剂量下的b 光源信息，c 发光线宽，d 侧壁宽度和侧壁倾斜角；在显影时间为30 s、50 s和70 s时，e 器件的荧光显微镜图像，f 光源信息，g 发光线宽和发光峰间距。在不同Ag金属薄膜厚度下，h 光源信息，i 发光线宽和发光强度，j 侧壁Ag金属薄膜厚度的变化趋势。插图：器件侧壁角的SEM图像。

III SASE器件的机理研究

实验结果表明，器件主要通过两个关键工艺制造而成：光刻工艺和热蒸镀工艺。为了更好地分析器件的结构参数如何影响亚微米光源的发光线宽，建立了SASE器件的数学模型。光刻工艺主要是影响侧壁宽度lWidth和侧壁角度θ，而侧壁宽度和侧壁角度遵循关系式：lpp=lWidth·tanθ。当PP的厚度lpp恒定时，较大的侧壁角度就意味着较窄的侧壁宽度(图3 a)，而较小的侧壁角度决定了较宽的侧壁宽度(图3 b)。此外，在金属沉积的过程中，侧壁角度θ也会影响侧壁的Ag金属薄膜厚度lSidewall Thickness，满足关系式lSidewall Thickness=lAg Thickness·cosθ。当沉积的Ag金属薄膜厚度lAg Thickness相同时，侧壁角度增大会导致较小的侧壁Ag金属薄膜厚度，能够有更多的光从侧壁发射，从而增强亚微米光源的光致发光(PL)强度和增宽了发光线宽。相反，侧壁的光发射将被抑制，PL强度衰减，发光线宽变窄(图3 c-e)。这一模型解释了发光线宽与侧壁宽度之间呈现负相关的原因。

图3 f-h展示了QDs、QDs/PP和SASE器件之间的光学性能差异。相对于QDs与QDs/PP器件，由于不透明的Ag金属薄膜阻挡了QDs的光发射，SASE器件表现出相对较低的PL强度。此外，荧光衰减曲线表明QDs器件的PL衰减(16.88 ns)明显慢于QDs/PP薄膜(13.12 ns)和SASE器件(13.31 ns)，这说明QDs/PP薄膜和SASE器件中存在额外的PL衰减通道。这主要是因为PP对QDs发光的破坏，降低了器件的发光性能。同时，由于PP的保护作用，金属沉积没有对QDs造成进一步破坏。荧光量子产率(PLQY)也表明QDs器件的PLQY(~90%)要明显大于QDs/PP器件(~65%)和SASE器件(~10%)，这一点与上述的分析一致。虽然QDs的利用效率比较低，但是能够实现亚微米尺度的光输出是值得的。因为这种方法仅靠常规的曝光设备和简单的工艺就能实现，无需依赖于先进的加工设备和复杂的工艺程序。

图3. SASE器件的工作机制。a 当θ较大时，形成更宽的发光线宽；b 当θ较小时，形成更窄的发光线宽；c 在PP层上沉积Ag金属薄膜；d 较薄的Ag金属薄膜导致SASE器件的光发射增强；e 较厚的Ag金属薄膜导致SASE器件的光发射减弱；QDs、QDs/PP和SASE器件的f PL光谱，g PL衰减曲线和h PLQY(图 S10)。

IV SASE器件的可拓展性

通过这种SASE技术，基于红、绿、蓝QDs设计了一系列具有亚微米线宽的发光图案。图4 a展示了间距为2.4 μm、线宽为0.72 μm的一系列等间距红色亚微米光源。图4 b展示了具有不同间距的绿色亚微米光源，线宽达到0.81 μm。图案的边缘清晰，没有坍塌，进一步说明了SASE方法的可行性(图4 c)。图4 d展示了一些基本几何形状的发光图案，证明该方法具有制造任意图案的能力。因此，制备了带有复杂图案的亚微米光源，并标注出相应的线宽，例如学校logo(红色0.88 μm，绿色0.83 μm，蓝色0.79 μm)、动物图案(红色1.47 μm，蓝色0.63μm)、汉字(绿色0.74μm)、字母(蓝色0.67μm)和符号(绿色0.47μm)。此外，不同的正性PP也能够用于制备亚微米光源，这表明SASE技术具有一定的通用性(图 S11)。

图4. 亚微米光源的图案化。a 线宽为0.72 μm的红色亚微米光源；b 线宽为0.81 μm的绿色亚微米光源；c 图4 b中白色虚线对应图案阵列的高度分布图；d 基本几何形状的光学图像及其对应的红色、绿色和蓝色亚微米光源；e 各种复杂图案的亚微米光源，包括学校logo(红色、绿色和蓝色)、动物(红色和蓝色)、汉字(绿色)、符号(绿色)和字母(蓝色)。

V SASE器件在光学防伪中的应用

图5 a-f展示了在PEN柔性衬底上成功制备了带有图案的亚微米光源，并具有向内弯曲和向外折叠的能力。弯折之后的图案依然清晰可见，没有出现失真的现象，表明SASE柔性器件具有较好的稳定性。SASE柔性器件的成功演示使得SASE方法有望应用于光学防伪领域。通过扫描SASE柔性器件背面的二维码图案能够获得关键的信息，器件正面带有亚微米线宽的二维码图案发光轮廓能够证实所获得信息的真实性(图5 g-h)。由于SASE技术所制造出的亚微米线宽图案轮廓极难被伪造和仿冒，使其成为双层防伪的关键特性。这种方法显著提高了安全性，并在光学防伪领域具有显著优势。

图5. SASE器件的应用。a 在柔性衬底上制备亚微米光源；b 柔性器件粘贴在直径18 mm瓶子上，插图：放大后的发光图案；c 柔性器件的正面和背面；d 柔性器件正面的二维码图案；e UV光照射下，带有亚微米线宽的二维码图案发光轮廓；f 二维码的荧光图像；g 背面扫描二维码获取信息，正面带有二维码的防伪条纹，鉴定为真；f 背面扫描二维码获取信息，正面没有二维码的防伪条纹，鉴定为假。

VI 总结

本文提出了一种仅使用常规的UV光刻技术就能够制备出亚微米线宽光源的新方法，即阴影辅助侧壁发射技术。该方法不依赖于复杂的微纳制造技术和先进加工设备，通过利用光刻过程中的侧壁效应实现了具有亚微米线宽的光致发光光源。实验结果表明，通过调整工艺参数(包括曝光时间、显影时间和金属薄膜厚度)，可以实现对亚微米光源线宽的操纵，发光线宽低至470 nm。进一步地，研究了亚微米光源的形成机制，其中PP层的侧壁角度是影响发光线宽的主要因素。在一定范围内，亚微米光源的线宽与其侧壁角度呈正相关关系。当沉积厚度相同的金属薄膜时，较小的侧壁角度也会导致亚微米光源线宽减小。此外，通过演示多种几何图形和复杂图案的亚微米光源，表明阴影辅助侧壁发射技术还具有制造任意图案的能力。通过将柔性衬底与亚微米光源相结合，展示了其在光学防伪应用方面的潜力。本研究的结果表明，阴影辅助侧壁发射技术为微型光源、超高分辨率显示的研究与应用提供了新的思路。

作者简介

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

Web: https://springer.com/40820

E-mail: editor@nmlett.org

Tel: 021-34207624

如果文章对您有帮助，可以与别人分享！：Nano-Micro Letters » 福州大学吴朝兴等：阴影辅助的侧壁发射技术：采用常规UV光刻技术实现亚微米线宽光源