西安交大邵金友等：电驱动纳米压印技术实现倾斜超表面纳米结构的大面积可控制备

研究背景

倾斜超表面纳米结构凭借其独特的非对称几何构型与特征维度调控能力，展现出优异的光学、电学、磁学及力学性能。在基础研究层面，其为手性光学、光子自旋调控、拓扑光子学等前沿机理探索提供了理想的结构平台；在工程应用领域，其在高精度光传感、高速光通信、集成光芯片、新型显示器件等关键技术领域均表现出不可替代的应用潜力。倾斜超表面纳米结构所蕴含的巨大技术价值，正持续驱动相关制造方法的创新发展。然而，受限于结构非对称性带来的成形难度、大面积制备的均匀性控制以及低成本高效率的量产需求之间的矛盾，如何实现该类特殊构型纳米结构的大面积、高精度、低成本可控制造，仍面临着严峻的技术挑战。

Electric-Field-Driven Generative Nanoimprinting for Tilted Metasurface Nanostructures

Yu Fan, Chunhui Wang*, Hongmiao Tian, Xiaoming Chen, Ben Q. Li, Zhaomin Wang, Xiangming Li, Xiaoliang Chen, and Jinyou Shao*

Nano-Micro Letters (2026)18: 12

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01857-3

本文亮点

1. 开发的电场驱动生成式纳米压印技术能够直接生成大面积倾斜超表面纳米结构，具备成本效益显著与高通量的技术优势。

2. 通过实时调控工艺参数，能够实现多种倾斜超表面纳米结构的定制化制备。

3. 将定制设计的的大倾角倾斜纳米结构集成于增强现实显示器中，可实现优异的图像显示质量。

内容简介

针对倾斜超表面纳米结构的制备挑战，西安交通大学邵金友、王春慧等人创新性地提出了一种 “电场驱动生成式纳米压印(E-G-N)”的新型制造技术，该技术可基于初始垂直结构模板直接生成可控的倾斜超表面纳米结构。通过在柔性模板与衬底之间施加电场，使压印成型的全流程(包括模板接触、倾斜偏转、结构填充及形态保持等关键阶段)均由电场力主导调控。与传统纳米压印工艺相比，E-G-N技术的显著优势体现在对模板-衬底接触状态和过程的精准控制上：通过在两者间引入可控夹角，实现柔性模板上的垂直纳米结构以非垂直接触方式与衬底作用，继而通过电场驱动模板受控偏转，最终生成目标倾斜形貌。其中，倾斜超表面纳米结构的倾角可通过协同控制电场强度与模板释放过程来实现。基于该技术已成功制备了系列典型倾斜超表面结构，包括大面积均匀倾斜结构、梯度倾斜结构及大倾角倾斜结构等，有望开发出更多定制化的倾斜超表面纳米结构。在此基础上，开发的高衍射效率倾斜亚波长光栅集成于增强现实(AR)显示系统后，成功实现高质量、高亮度的AR成像效果，为倾斜超表面纳米结构在光电子器件领域的实际应用奠定了重要技术基础。

图文导读

I E-G-N技术的机理与控制策略

E-G-N 方法的核心在于对模板与衬底之间接触过程及接触状态的精确灵活控制。接触状态具体通过接触前沿处模板切线与衬底的夹角来表示(图1a)。该角度直接决定模板上垂直结构与衬底的接触状态，因此是从初始垂直结构生成倾斜结构的关键因素。在该方法中，施加于柔性模板与衬底之间的电场驱动整个纳米压印过程，包括接触、倾斜、填充及保压阶段。作用于模板的驱动力如图 1b 所示。采用本方法制备倾斜纳米结构包括结构生成与状态保持两个步骤。图 1c 展示了模板上不同区域(I–III)的垂直结构在制备过程中的形貌演变过程。通过具体的结构生成演化规律，可以总结出倾斜结构生成的控制策略。基于此，通过对关键工艺参数的精确调控，该方法展现出对多种倾斜超表面纳米结构的灵活制备能力，其典型结构如图 1d 所示。

图1. E-G-N方法示意图：(a) 模板与衬底接触过程和状态示意图；(b) 模板在不同位置的驱动力，(c) 倾斜纳米结构生成过程中模板上垂直结构的形态演化过程，(d) 通过控制接触状态和过程可生成各种倾斜超表面纳米结构。

倾斜纳米结构的生成由接触夹角、电场强度与初始结构参数的协同作用所调控。为此，本研究针对各关键影响因素展开系统性分析。首先，接触夹角可通过辊轴位置调节，但其可调区间受电场强度与模板厚度的制约。实验表明，减小模板厚度或增大电场强度均可显著拓宽夹角的可调范围，为倾斜角的灵活调控提供了更大操作空间(图 2a-c)。此外，对倾斜结构变形量的理论解析表明，其总变形由弯曲变形、剪切变形及基底倾斜分量共同构成(图 2d)。通过建立力学模型分析可知倾斜结构的倾斜角与电场强度、接触夹角及结构深宽比存在显著相关性。结合有限元模拟(图 2e)与实验测量结果，系统探究了接触夹角(图 2f)、电场强度(图 2g)及结构深宽比(图 2h)对倾斜角与弯曲角的定量影响规律，结果表明，上述参数的增大均会导致倾斜角的显著提升。基于上述研究发现，本研究建立了倾斜结构的工艺参数控制策略，为目标倾斜角结构定制化制备中的参数反演优化提供了理论支撑与实验依据。

图2. 倾斜纳米结构倾角的影响因素分析：(a) 模板与衬底夹角简化模型；(b)不同厚度模板夹角的仿真模型；(c) 模板厚度和电场强度对夹角的影响；(d) 纳米结构的弹性变形；(e) 倾斜纳米结构生成过程的仿真模型；(f) 夹角对结构倾斜度和弯曲度的影响(插图显示不同夹角的照片)；(g) 电场强度对结构倾斜度和弯曲度的影响(插图是不同电场强度下不同倾斜角度结构的SEM图像，比例尺为 1 μm)；(h) 深宽比对结构倾斜度和弯曲度的影响。

II 大面积均匀倾斜纳米结构的生成

单次纳米压印工艺中，结构深宽比具有确定性；为规避潜在的结构变形风险，不建议通过调控电场强度实现调节。因此，调节模板与衬底夹角是精确控制结构倾斜角的有效手段。通过在纳米压印过程中保持夹角恒定，不同时刻生成的结构倾斜角可保持一致(图 3a)。基于此方法制备了均匀倾斜结构，并对其完整性与均匀性进行了表征。图3b为深宽比1的垂直结构工作模板的SEM图。图 3c为不同视角下大面积倾斜纳米结构的SEM图，所示结构倾斜角为20°，在大范围内呈现出优异的平直度与边缘锐度。在45×45 mm2 的大面积衬底上制备了均匀倾斜结构样品，其压印结构均匀性分析结果如图 3d 所示。可见不同位置结构的高度与倾斜角波动极小，证实该工艺在大面积制备中仍能保持优异的均匀性。通过精确调控工艺参数，可基于不同深宽比的垂直结构模板制备定制化倾斜角的纳米结构。针对深宽比分别为1.5、2 和 2.5的垂直结构模板，采用各自适配的工艺参数，成功制备出20°倾斜纳米结构。图3e–g为垂直模板及其对应倾斜结构的横截面 SEM 图，显示倾斜纳米结构具有优异的完整性与均匀性，验证了该技术对不同模板的适用性。

图3. 均匀倾斜超表面纳米结构的生成：(a) 大面积均匀倾斜结构生成过程中接触状态控制过程示意图；(b) 工作模板的SEM图像； (c) 均匀倾斜纳米结构不同角度的SEM图像；(d) 同一样品不同位置(1-5)结构的高度和倾斜角度；(e-g) 深宽比分别为1.5、2和2.5的模板的横截面SEM图像，以及相应生成的均匀倾斜结构。

III 梯度倾斜纳米结构的生成

由前述研究可知，通过调控模板与基底间的初始夹角可实现对倾斜纳米结构倾角的有效控制。基于这一机制，本方法还能通过在单步纳米压印工艺中实时调节夹角，可在单一基底上实现倾斜角连续变化的梯度结构一体化成形。如图 4a 所示，通过连续减小模板与基底的夹角，所制备结构的倾斜角随之逐渐减小，最终获得具有连续梯度特征的倾斜纳米结构。倾斜角在水平方向的变化率是梯度结构的核心性能指标，本研究通过计算倾斜角变化量与水平距离的比值(单位：度/微米)对这一变化率进行定量表征(图 4b–i)。由于低变化率结构(如均匀倾斜结构，变化率为 0)较易实现，研究重点聚焦于可实现的最大变化率。在电场强度与结构参数固定的条件下，夹角是影响倾斜角的关键变量。理论上，只要夹角处于可调范围内即可获得对应倾斜角，但倾斜角的变化会引发模板水平方向的弯曲变形，这一变形受限于模板材料特性，因此单个结构周期内倾斜角无法实现任意大幅变化。为此，通过研究模板变形与水平距离的关联规律解析倾斜角变化率机制(图 4b–ii)。图 4c揭示了电场强度与模板厚度对最大可实现倾斜角变化率的影响规律：更高的电场强度可增强驱动模板与基底接触的作用力，使模板在更小水平距离内完成变形，从而提高变化率；同理，减小模板厚度亦可显著提升变化率。基于此调控机制，可实现定制化梯度倾斜纳米结构的制备。图 4d所示为制备的梯度倾斜纳米结构，其倾斜角从20°平滑过渡至0°，倾斜角变化率为 0.16(度/微米)，结构展现出优异的准直性和均匀性。图 4e为同一样品中三个不同倾斜角区域的局部放大表征，各区域结构均成型完整且边缘清晰，充分验证了该方法在梯度倾斜结构制备中的可靠性。

图4. 梯度倾斜超表面纳米结构的生成：(a) 梯度倾斜结构生成过程中接触状态控制过程示意图；(b) 倾斜角度沿水平方向的变化率；(c) 电场强度和模板厚度对倾斜角度最大可实现变化率的影响；(d) 梯度倾斜结构的横截面和俯视SEM图，(e) 同一样品不同区域不同倾斜角度倾斜纳米结构的放大SEM图。

IV 大倾角倾斜纳米结构的生成

由前述分析可知，倾斜超表面纳米结构制备过程中，剪切载荷的引入会不可避免地导致纳米光栅产生结构弯曲变形。此外，倾斜角越大，对应的弯曲角也越大，这对高精度结构应用场景构成了严峻挑战。为有效抑制弯曲变形影响并实现大倾角倾斜结构的制备，本文提出了多步式纳米压印工艺方案(图 5a)。该工艺的核心原理在于：通过减小单次压印的倾斜角增量，并将前序步骤生成的倾斜结构作为后续压印的模板，利用分步累积的方式弱化单次大变形导致的弯曲效应，从而实现大倾角倾斜纳米结构的成形制备。图 5b展示了深宽比为2.5的垂直结构在单次压印生成倾斜结构的过程中倾斜角与弯曲角的定量关系曲线。结果表明，弯曲角随倾斜角呈现非线性增长趋势，因此，在多步式压印中选择较小的单次倾斜角增量更为合理。实验验证结果显示，采用所提出的多步式纳米压印工艺制备的40°倾斜纳米光栅结构(设定每步倾角增量为10°)(图 5c)，其弯曲角可有效控制在约5%的极低水平，显著优于单次压印的变形量。基于该工艺，研究团队成功制备了系列大倾角倾斜超表面纳米结构：包括倾斜角达50°的大倾角倾斜纳米光栅(图 5d)、40°倾斜纳米孔阵列(图 5e)，并以纳米孔结构为模板进一步压印得到40°倾斜纳米柱阵列(图 5f)。综上，多步式纳米压印工艺通过分步变形调控机制，成功实现了多维度、大面积、多种类大倾角倾斜超表面纳米结构的可控制备，为高精度倾斜微纳结构的制造提供了新的技术路径。

图5. 大倾角倾斜超表面纳米结构的生成：(a) 生成大倾角倾斜结构的多步式纳米压印工艺示意图；(b) 单步纳米压印过程中倾斜角和弯曲角度之间的关系；(c) 通过四步纳米压印工艺制备的倾斜纳米结构的倾角演变过程，以及相应的横截面SEM图；(d) 倾角为50°的倾斜光栅结构；(e) 倾角为40°的倾斜纳米孔阵列结构；(f) 复制的倾斜角为40°的倾斜纳米柱结构。

V 基于倾斜纳米光栅的高性能AR显示器的开发

倾斜纳米光栅凭借其卓越的衍射效率特性，已成为衍射波导耦入区域的理想功能结构(图 6a)。为满足532 nm波长下高衍射效率倾斜光栅的应用需求，本研究针对性设计并成功制备了周期400 nm、倾斜角40°、线宽200 nm、高度600nm的大倾角倾斜光栅结构(图 6b-c)。将所制备的倾斜光栅进一步集成至AR眼镜系统，该系统由E-G-N工艺制备的衍射波导镜片、高性能光引擎及3D打印镜框组成(图 6d)。为系统评估波导镜片的光学性能，采用专用光学测试平台进行全面表征(图 6e)。测试结果显示：图像畸变特性方面(图 6e-i)，镜片四边畸变率分别低至0.11%、0.5%、0.51% 和 0.52%，展现出极低的畸变水平；调制传递函数(MTF)测试中(图 6e-ii)，水平方向平均MTF值达0.896，垂直方向平均MTF值为0.87，表明系统具有优异的成像清晰度保持能力；重影表征结果(图 6e-iii)显示，图像边缘重影偏移量为0，中心区域重影偏移量仅1.5，验证了结构对杂散光的有效抑制能力。综合测试结果证实，集成倾斜光栅的波导镜片具备卓越的显示性能。此外，通过引入图像校正算法对光学系统进行优化，可进一步提升其成像质量。图 6f所示为AR显示器的实际成像效果，可见校徽图案线条锐利清晰，分辨率表现优异。这些结果不仅充分验证了大倾角倾斜光栅在 AR显示领域的核心应用价值，也为下一代高性能AR显示器件的开发奠定了重要基础。

图6. 用于AR显示器的倾斜纳米光栅结构： (a) 带表面浮雕光栅的衍射波导示意图；(b) 高衍射效率倾斜光栅的定制设计；(c) 耦入区域倾斜纳米光栅结构的SEM图；(d) 3D打印AR眼镜的样机；(e) 制备的衍射波导透镜的光学性能测试；(f) 开发AR显示器的成像性能。

VI 总结

在本研究中，创新性地提出了一种电场驱动生成式纳米压印技术，该技术实现了具有可控倾斜角度的大面积倾斜超表面纳米结构的低成本、高效率制备。此方法突破传统纳米工艺限制，可从简易垂直结构模板直接生成技术壁垒较高的倾斜纳米结构，显著降低了复杂倾斜形貌的制造难度。系统研究了外加电场强度、模板-衬底初始夹角及结构深宽比等关键工艺参数对倾斜纳米结构倾角的调控规律。通过对相关工艺参数的精准调控，成功制备出系列不同倾角特征的倾斜纳米结构，包括均匀倾斜结构、梯度倾斜结构及大倾角倾斜结构等，其制备精度与结构多样性均突破现有制造工艺的技术瓶颈，实现了传统方法难以实现的制备效果。此外，该技术展现出优异的普适性，可扩展至更多定制化倾斜超表面纳米结构的制备场景。通过实验与计算模拟相结合的方式确定的最佳工艺参数区间，为倾斜结构的标准化制备、规模化量产及多维复杂构型制造提供了关键技术支撑。综上，本研究不仅为提升倾斜超表面纳米结构的性能调控能力奠定了基础，更为推动其在电子器件、光子集成及微纳机械系统等多领域的实际应用开辟了创新性技术路径。

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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，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，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。

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