纳米剪纸简介

新型3D纳米制造技术--纳米剪纸及其光子学应用

       剪纸作为中国最古老的传统艺术之一，已有上千年的历史，被广泛应用在各类窗花、贺卡、仪式和节日所用的装饰中。但正如中国很多传统技术的发展历程一样，早期的人们并没有关注到剪纸技术中的科学思想。反而是中国纸文化在公元6世纪传播到日本之后，剪纸方法得到了详细记录并不断积累和发展。因此，现代科学中“剪纸”的英译词“kirigami”实际上出自于日语（命名于1962年，kiri意为“剪”，gami意为“纸”），导致很多学者认为剪纸艺术起源于日本，尽管中国出土的文物“北朝对马团花剪纸”早已形成于公元386-581年期间。与剪纸相对应的还有我们熟知的折纸艺术的英文名称“origami”，同样来源于日语（ori意为“折”）。而剪纸作为一种符号象征，在造纸术发明之前就早有记载，例如《史记》“剪桐封弟”的历史典故中，西周初期周成王(公元前1055-1021年)将梧桐叶剪成“圭”状信物，封其弟到唐为侯，又称“桐叶封弟”。类似于剪纸的皮影，也有史书记载始于西汉汉武帝年间（公元前157-87年）。到如今，剪纸已经成为一种随处可见、千姿百态的民间艺术，“团花”剪纸和“拉花”剪纸就是两种常见的剪纸工艺。其中团花剪纸主要应用于平面对称剪纸，拉花剪纸则主要用于立体剪纸工艺。


图1. 剪纸的起源。

       近年来，剪纸和折纸技术在科学界得到了广泛的重视，这是由于看似简单的剪纸和折纸技术中其实蕴涵着深邃的科学思想。例如常见的立体剪纸贺卡就包含了从二维平面结构到三维立体结构的形变科学，其衍生出来的立体几何变换知识非常丰富，一个显著的特征是结构所占空间大小在形变过程中发生了几个数量级的变化，而驱动这一变化所需要的能量设计又十分巧妙。因此，结合当代材料和技术领域的巨大进步，剪纸和折纸技术在很多领域得到发展，包括外太空飞行器的太阳能帆板折叠技术，微纳机电系统（MEMS/NEMS），形变建筑学，性能特异的机械、生物和光学器件，乃至DNA纳米剪裁和折叠技术。


图2. 手工剪纸与纳米剪纸。（A）宏观手工剪纸过程。（B）利用FIB刻蚀及全局帧扫描在80nm厚悬空金薄膜上进行的纳米剪纸过程。（C, G）宏观剪纸结构及其对应的（F，J）纳米剪纸三维立体结构扫描电镜图。（D，H）发生立体形变前的二维结构图案与（E，I）发生形变后的三维纳米结构图案顶视图。宏观与纳米结构的比例大小约为：10,000:1。Scale bars: 1 μm。

    最近，针对国家在三维纳米制造领域的重大需求，我们与合作团队在国际上首次论证了纳米剪纸3D智能制造技术。团队采用高剂量的聚焦离子束（FIB）作为“剪裁”手段，利用低剂量全局帧扫描的FIB作为“形变”手段，以类似于中国传统的“拉花剪纸”的形式，实现了悬空金纳米薄膜从二维平面到三维立体结构的原位变换，加工分辨率可达头发丝直径的数千分之一。其基本原理是利用FIB辐照金膜时，薄膜内产生的缺陷和注入的镓离子分别诱导不同类型的应力，结构在自身形貌的智能导向下通过闭环形变达到新的力学平衡态。因此通过设计不同的初始二维图案，可以在同样的扫描条件下分别实现向下或向上的弯折、旋转、扭曲等立体结构形变。该方法突破了传统自下而上（bottom-up）、自上而下（top-down）、自组装等纳米加工方法在几何形貌方面的局限，是一种新型的三维纳米制造技术。研究成果于2018年7月6日发表在《科学》子刊《科学前沿》上。


图3. 基于形貌诱导应力自平衡和闭环形变的纳米剪纸技术。（A）纳米剪纸过程中金纳米薄膜发生形变的物理机制。（B-E）二维结构图案、纳米剪纸形成的三维立体结构及其理论模拟结果。（F-H）纳米剪纸制备的形貌特异的三维纳米结构。Scale bars: 1 μm。

       纳米剪纸技术中涉及到丰富的动力学过程，如果仅从实验表象着手弄清其中的物理，需要海量的实验验证。为探索纳米剪纸中蕴涵的科学思想，团队建立了有效的材料和力学模型，对纳米剪纸的动力学过程进行了完美再现，并精准地预测了纳米剪纸的结果，使得结构的尝试在计算机中即可迅速完成，为新颖结构的设计提供了建设性的思路。同时，纳米力学结构模型还给出了结构内部的应力分布情况，为结构的优化设计提供了有效参考。更为重要的是，合作团队构建了“纳米力学和纳米光子学”一体化研究体系，有望可以根据目标功能函数，对纳米剪纸进行逆向设计和机器优化，为三维智能纳米制造提供一种新的技术方案。


图4. 基于纳米剪纸的三维光学超手征体的构建。（A-C）结构设计。（D）理论设计的三种风车型结构及（E）实验结果。Scale bars: 1 μm。

       在应用方面，以往的宏观剪纸技术采用多道复杂工序和复合材料，结构尺寸多在数厘米到数百微米范围，很难实现片上原位制造，其应用也大多局限在机械和力学领域。与其相比，合作团队发展的纳米剪纸技术拥有更小的纳米量级加工尺度，具有单材、原位、片上可集成的优势，有利于实现光响应的功能结构，例如构建光学超手征体（chirality）。当一个结构对任何平面都不具备镜面对称性时，我们说这种结构具有内在的手征特性，如各类螺旋线或螺旋体结构。但要构建光学手征特性，需要实现结构对左旋和右旋圆偏振光的不同响应，包括吸收/透射和相位两方面，分别体现为圆二色性（circular dichroism）和圆双折射特性（circular birefringence），二者在生物分子识别、偏振显示、光通信等方面有着重要的应用。基于纳米剪纸可实现三维扭曲的技术特点，研究团队设计并实现了一种“风车型”纳米结构阵列，观测到了强烈的圆二色性和圆双折射特性。考虑到该阵列结构的厚度仅为约430nm（包括衬底），其对应的最大偏振旋转灵敏达到了200,000度/mm以上，超过了已报道的手征超构材料和二维平面纳米结构。


图5. 纳米剪纸三维风车型纳米结构阵列的超手征特性。（A）FIB加工的二维风车型结构及（B）纳米剪纸形成的三维风车型结构阵列。（C）左旋与右旋三维风车型结构顶视图。（D，E）二维和三维风车型结构阵列的圆二色谱和偏振旋转光谱（对应于圆双折射特性）对比图。显示出纳米剪纸导致结构光学特性发生的巨大变化。（F）对应于图（E）的各波长处偏振旋转的极坐标图。理论与实验十分吻合。Scale bars: 1 μm。

      值得指出的是，该纳米剪纸的概念和思想还可以广泛移植到其他微纳加工体系中，产生更多新奇的、前所未见的三维纳米几何结构，在光、力、热、电、磁、声、生化等领域大放异彩。类似的三维纳米制造技术可在未来光子芯片集成、多维存储、3D显示、生物细胞培植、纳米机电系统等领域发挥巨大作用，例如，三维纳米机电系统已经显示出很强的应用潜力，已经成熟应用于DLP投影的数字微镜芯片（DMD），就是采用悬挂式的三维纳米结构。

 

个人简介

李家方

博士，教授，博导

北京理工大学物理学院

北京理工大学微纳技术中心

Email: jiafangli@bit.edu.cn, jiafangli@aphy.iphy.ac.cn

TEL: 010-82649340

       2002年和2005年分别于南开大学获学士和硕士学位，2009年于澳大利亚斯文本科技大学获博士学位，博士期间获澳大利亚斯文本科技大学全额奖学金（2005-2009）和中国国家优秀自费留学生奖（2007年度）。2009 年7月加入中科院物理所光物理实验室，2018年12月调入北京理工大学物理学院，主要从事纳米光子学和三维纳米制造方面的研究，研究对象包括表面等离激元纳米结构、光子晶体及器件、三维微纳加工发展与应用等等。已发表国内外学术期刊文章60余篇，包括Science Advances, Light: Science & applications, Advanced Materials, Laser & Photonics Review等。在META、CIOP、iSPN、3M Nano等国际会议上做邀请报告十余次，是JACS、Opt. Lett.、Opt. Express 等杂志的审稿人。

 

主要研究方向

1）基于FIB、EBL等工艺的纳米剪纸技术

2）飞秒激光直写三维微纳加工发展与应用

3）金属纳米颗粒及其复合纳米结构、半导体量子点的化学合成

1）表面等离激元与增益介质的相互作用及调控：损耗补偿、增益放大与荧光增强

2）基于金纳米棒的辐射调控与应用

3）金属微纳结构的非线性增强与调控

1）三维光子晶体的制备及其应用于半导体量子点辐射调控

2）基于光子晶体的红外探测材料的研究

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受教育经历

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研究工作经历

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承担/参与科研项目


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