清华大学张一慧《先进材料》：系统阐述三维微纳结构的组装方法、调控策略及广阔应用

来源：清华大学

7月2日，清华大学航院张一慧副教授团队在国际材料科学领域知名学术期刊《先进材料》 (Advanced Materials)上在线发表了综述文章《通过卷曲、折叠、共形和屈曲方法实现微纳尺度三维组装》(Micro/Nanoscale 3D Assembly by Rolling, Folding, Curving, and Buckling Approaches)，系统回顾了微纳尺度三维组装领域的最新进展，综述了三维微纳结构在电子/光电子器件、微机电系统、医疗器件和细胞支架等领域的应用。在此基础上，该文章对三维微纳组装技术的现有挑战与发展机会进行了展望。

电子器件的小型化是微电子领域近几十年来研究的一个重要课题。随着大规模IC技术的持续发展，平面制备工艺和硅器件的尺寸逐渐逼近物理极限。因此，发展新制备工艺、探索新器件架构进而延续和拓展摩尔定律成为科学界和工业界共同关注的热点问题。

发展三维电子器件为克服平面工艺的一些固有挑战提供了一种解决方案，现有的三维电子器件制备技术主要分为直接制备技术和间接组装技术。近年来，对直接制备技术的研究主要集中在三维晶体管技术，三维异构集成技术和三维打印技术上，但由于三维晶体管和异构集成技术主要基于堆叠思想，其可获得的三维构型种类有限且制备工艺复杂，三维打印技术在高性能电子材料的适用性和打印速度上存在一定局限性。间接组装技术作为另一种三维器件制备途径，充分利用成熟的平面制备工艺来制备平面前驱体，然后通过力学组装的方法将其转化为目标三维微结构。三维组装技术因其与平面工艺相兼容，可实现丰富的微纳三维结构，可集成多种先进电子材料等优点，近年来广受关注，已经发展出多种三维组装方法及多种应用于不同领域的三维器件。 

四类三维组装方法及其在不同领域的应用

该文章系统回顾了近年来该领域发展的主要三维组装方法，并依据加载/变形的特点将其总结为四类：卷曲、折叠、共形和屈曲组装方法。文章分别对这四类组装方法进行了深入的介绍，对比分析了这几类方法在三维构型方面的适用性，并针对每一类方法在电子/光电子器件、微机电系统、医疗器件和细胞支架等领域发展出的典型器件的结构与功能进行了介绍，充分体现出三维微纳结构在器件功能上所起到的关键性作用。最后，对三维组装技术研究进行了小结，并展望了该领域仍待研究的若干方向。 

基于屈曲组装方法形成的“蝎子”微结构

在过去几年里，张一慧副教授及其合作者基于力学设计和微纳制造一体化，将可控屈曲应用于微尺度三维结构组装，建立大变形力学模型及逆向设计方法，并引入剪纸/折纸、叠层和可重构设计概念，形成了一套可适用于半导体、单晶金属、二维材料等各种高性能材料和复杂几何拓扑的三维微结构组装方法，为先进三维微器件系统的制备提供了一种重要的新途径。目前，该团队已实现了数百种具有不同几何构型的高性能三维微结构的制备，并实现反侦察间谍天线、可调控集成电路、低频振动能量收集器等新型微器件。自2015年以来，相关成果发表于《科学》(Science, 347: 154-159, 2015, 封面文章)、《自然材料》(Nature Materials, 17: 268-276, 2018, 封面文章)、《自然综述—材料》(Nature Reviews Materials, 2: 17019, 2017, 封面文章)、《自然电子》(Nature Electronics, 2, 26-35, 2019, 封面文章)、《自然通讯》(Nature Communications, 8: 15894, 2017)、《科学进展》(Science Advances, 2: e1601014, 2016; 4: eaat8313, 2018)、《美国科学院院刊》(PNAS, 112, 11757-11764: 2015; 114: E9455-E9464, 2017; 116: 13239-13248, 2019)等国际学术期刊。

本文通讯作者为清华大学航院张一慧副教授，清华大学航院2017级博士生程旭为本文第一作者。本项工作受到国家自然科学基金委、清华信息科学与技术国家实验室等项目资助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201901895