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论文基本信息
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标题: Parallel 3D Projection Lithography of Massive Tunable Nanopillars for Functional Structures
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作者:
Chenyi Su（浙江实验室 新型计算感知与智能处理研究中心）；
Shunhua Yang（浙江实验室 新型计算感知与智能处理研究中心）；
Chenliang Ding（浙江实验室 新型计算感知与智能处理研究中心）；
Jisen Wen（浙江大学 光学科学与工程学院 极端光学与仪器国家重点实验室）；
Zhenyao Yang（浙江实验室 新型计算感知与智能处理研究中心）；
Jiachen Zhang（浙江实验室 新型计算感知与智能处理研究中心）；
Liang Xu（浙江大学 光学科学与工程学院 极端光学与仪器国家重点实验室）；
Junhui Shi（浙江实验室 新型计算感知与智能处理研究中心）；
通讯作者：Cuifang Kuang（浙江大学 光学科学与工程学院 极端光学与仪器国家重点实验室）；
Xu Liu（浙江大学 光学科学与工程学院 极端光学与仪器国家重点实验室）。 -
发表时间: 2024年12月13日 ，其中投稿时间：2024年8月9日；修改时间：2024年11月26日；接收时间：2024年11月27日
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发表期刊: Optica （JCR-Q1，IF=8.4)
论文快览
解决的问题：
在微纳制造领域，传统光刻技术难以实现大规模、高精度、尺寸可调的三维纳米柱阵列加工，尤其在高长宽比结构和功能性应用方面存在瓶颈，无法满足超表面、超疏水表面及金属透镜等领域对可扩展制造和高性能结构的需求。
提出的方法：
本文提出了一种并行三维投影光刻（TPL）方案，通过数字微镜器件（DMD）动态调控5041个可编程、扩展焦深的激光焦点，实现大规模、独立可调的纳米柱阵列制造。该方法利用多焦点并行曝光实现71×71纳米柱一次性体积曝光，结合原位串行曝光和z轴扫描分别获得11.6和18.7的高长宽比结构；通过交错曝光工艺制造出接触角达167.4°的超疏水表面，并通过间隔优化和显影工艺调控，实现了动态自组装纳米柱。基于传播相位理论，推导了高度、直径与像素数的关系，实现了2π相位调控，最终设计并制造了工作波长532 nm、直径达10 mm的金属透镜，验证了其无拼接的高精度制造能力和稳定的光学聚焦性能。
实现的效果：
实验结果显示，该方法实现了高度可调（1.7–5.2 μm）、长宽比高达18.7的纳米柱结构，大面积超疏水表面的接触角超过160°，最大值为167.4°，动态自组装纳米柱通过调控间隔与显影过程实现精确控制。此外，直径为10 mm的金属透镜展现了稳定的聚焦性能，验证了系统在高精度、无拼接制造及可扩展性方面的优势。
创新性分析：
本文的创新点在于提出了并行三维投影光刻工艺，突破了传统光刻技术在大规模高精度制造中的限制。通过DMD动态调控实现了独立可编程焦点曝光，结合灰度调制与z轴扫描技术，实现了纳米柱阵列的高长宽比、可调谐和大面积制造。该工艺方案在超表面、超疏水表面及金属透镜等功能性结构制造中表现出高效率、低成本与高精度的优势，为微纳制造领域提供了一种具有广泛应用潜力的创新技术路径。
论文重要图文
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**摘要：**纳米柱作为典型的纳米结构，可实现多种功能性应用。然而，传统制造方法难以在大尺度上实现尺寸可变的纳米柱阵列加工。本文提出了一种并行三维投影光刻（TPL）方法，生成5041个可编程、具有扩展焦深的光焦点，实现大规模尺寸和周期可调的纳米柱三维投影制造。通过调节各个焦点的曝光强度或时间，成功打印了不同尺寸的纳米柱阵列。通过原位串行曝光与z轴扫描，分别获得了高达11.6和18.7的长宽比。此外，通过多重交错曝光工艺，制备了具有不同周期的大面积超疏水表面，最大接触角达167.4°。通过精确调整间距或优化显影工艺，实现了动态自组装纳米柱的可控制造。此外，利用无拼接、三维灰度曝光工艺，设计并制备了在532 nm波长下工作的超构透镜，最大直径达10 mm，并验证了其聚焦性能与焦距。
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**结论：**本文提出的并行三维投影TPL方案可生成5041个具有扩展焦深的可调谐激光焦点，实现一次性体积曝光打印71×71个高度和直径可编程的纳米柱阵列。通过数字微镜器件（DMD）单独控制每个焦点的曝光时间，并生成四种DMD图案，成功打印出具有四级灰度的纳米柱，展示了系统的独立控制能力与区域独特的结构色效果。通过原位曝光与z轴扫描，分别实现了11.6和18.7的高长宽比。通过交错打印工艺，成功制备了12.5 mm × 12.5 mm的周期性纳米柱阵列，测得接触角超过160°。此外，非交错纳米柱阵列通过表面修饰实现了超疏水性能，为大面积超疏水表面的高效制造提供了新途径。通过设置小于1 μm的间隔，打印出动态自组装纳米柱，且通过引入低表面张力溶液实现了可控调节。基于传播相位理论与高度、直径、像素数之间的线性关系，推导了相位变化与像素数之间的对应关系，证明了2π相位可通过幅度调制实现。设计并打印了工作波长为532 nm、直径达10 mm的超构透镜，通过单视场与多视场打印，验证了系统的稳定性与无拼接制造能力。进一步通过光学成像模块，验证了金属透镜的聚焦性能与焦距。 以上结果充分证明了并行三维投影TPL方案在纳米柱阵列制造中的优越性，具备超高通量、体积曝光、独立控制、无拼接与高精度制造的特点，展现出在超表面、疏水性、微流控、生物医学、纳米材料等领域的广泛应用潜力。
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重要图片：
图1. 三维投影TPL系统的光学布局与制造流程
(a) 并行三维投影TPL系统的配置及独立可控激光焦点的生成（更多细节见补充材料图S1）；TL1–TL4：扫描管镜（焦距
f
TL1
f_{\text{TL1}}
fTL1,
f
TL2
f_{\text{TL2}}
fTL2,
f
TL3
f_{\text{TL3}}
fTL3,
f
TL4
=
200
,
mm
f_{\text{TL4}} = 200 , \text{mm}
fTL4=200,mm）；DM：二向色镜。
(b) 通过欠填充物镜孔径延长焦深。
© 通过体积曝光制造纳米柱的流程，比例尺为10 μm。
图2. 高长宽比纳米柱阵列的体积曝光
(a) 一次三维投影曝光制造的71×71纳米柱阵列；
(b) 制备的多边形纳米柱的扫描电镜（SEM）图像；
© 制备的多边形纳米柱的光学显微图像；
(d) 通过原位曝光制造的长宽比为11.6的纳米柱阵列；
(e) 结合z轴扫描制造的超高长宽比纳米柱阵列；
(f) (e)的放大图，显示长宽比为18.7的纳米柱；比例尺：40 μm用于(a)–©，2 μm用于(d)和(f)，10 μm用于(e)。
图3. 用于功能性表面的纳米柱阵列
(a)–© 周期为3.375 μm、1.687 μm和1.125 μm的纳米柱阵列的倾斜视图与顶视图；
(d), (f), (h) 周期分别为3.375 μm、1.687 μm和1.125 μm的12.5 mm × 12.5 mm纳米柱阵列；
(e), (g), (i) 测得(d), (f), (h)的接触角分别为121.2°、165.5°和167.4°；
(j) 空白组（仅SiO₂基底）的接触角为32.8°；
(k) 表面改性后的SiO₂基底接触角为115.7°；
(l) 周期为3.375 μm的纳米柱阵列改性后接触角为164.2°；
(m) 自组装纳米柱的示意图，其中
F
C
F_C
FC为毛细力，
θ
\theta
θ为接触角；
(n) 自组装纳米柱的顶视图与倾斜视图SEM图像；
(o) 改进显影工艺的示意图；
§ 改进显影工艺后的纳米柱顶视图与倾斜视图SEM图像；比例尺：10 μm用于(a)–©，10 mm用于(d), (f), (h)，5 μm用于(n)和§，3 μm用于(a)–©, (n), §的子图。
图4. 金属透镜的设计、制造与性能测试
(a) 金属透镜的单元纳米结构，其尺寸可通过像素数量调控；
(b) 制备的具有不同像素数量的纳米柱阵列；
© (b)中纳米柱阵列的高度、直径和长宽比的数据整理；
(d) 相位变化与像素数量的关系；
(e) 设计用于532 nm波长、焦距为3.8 mm的金属透镜；
(f) (e)中金属透镜的像素数量、高度和直径分布；
(g) (e)中设计的金属透镜的SEM图像，由3×3的80×80纳米柱阵列拼接而成；
(h) (g)的放大视图与倾斜视图；
(i) 直径为10 mm的金属透镜；
(j), (k) 直径为10 mm和405 μm的金属透镜聚焦的激光点图像；
(l) (j)和(k)中激光点的径向轮廓；比例尺：20 μm用于(b), (h)，50 μm用于(g)，10 mm用于(i)，10 μm用于(j), (k)。
参考文献
Chenyi Su, Shunhua Yang, Chenliang Ding, Jisen Wen, Zhenyao Yang, Jiachen Zhang, Liang Xu, Junhui Shi, Cuifang Kuang, and Xu Liu, “Parallel 3D projection lithography of massive tunable nanopillars for functional structures,” Optica 11, 1725-1732 (2024)
DOI: https://doi.org/10.1364/OPTICA.539108
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