微纳功能表面：光电子材料新特性的策源地
微纳功能表面：光电子材料新特性的策源地
微纳功能表面是研究与开发新材料、新器件和新特性的基础，越来越得到科技界和产业界高度重视。在节能材料、光子科技（元宇宙、光波导）、智能表面、生物制造等领域，微纳功能表面展现出巨大发展前景。苏大维格超前布局，在微纳功能表面的工程研究方面取得大量成果，逐步迈向产业化。本文介绍相关进展。
导读
光、电、风、磁与微纳结构的相互作用，形成一系列前所未有的新现象和新特性。微米级/纳米级特征结构表面以及由此形成的新材料与器件，涉及光学、光电子、泛半导体、能量转换、功能材料的设计、制造及应用，是当前光电子技术、光子学、微纳制造技术和智能计算的发展中最活跃的前沿领域[1-5]。
近年来，微纳结构功能表面元件的需求越来越广泛，由于对尺寸精度、均一性和表面质量要求严格，此类微纳结构元件的制造具有许多独特的挑战。对于光学领域而言，当结构尺寸与所操控波长在量级上接近时，光的衍射成为主导。这种微纳结构表面能够对光束进行分束、匀束、准直、聚焦等各种操控，因而被用于许多光学应用，如全息显示、光场调控、激光雷达、增强现实（AR）、混合现实（MR）、光学成像、光学检测和功能材料如辐射制冷等领域[6-12]。
微纳功能表面：策源新特性
微纳结构在许多方面具有增强表面的功能。其中，微纳光学（Micro/Nano Optics）元件是一类重要的功能表面，包括以反射型、折射型、衍射型、光波导为代表的被动元件、以光源、探测器、调制器为代表的主动元件，为新颖传感与成像、3D显示与高增益照明、通信与互连等众多领域提供了创新空间。
微纳光学器件典型应用
微纳功能表面，可突破传统光电子芯片基于束缚电子的框架，使得自由电子也成为了光电子芯片的新角色。基于光场相互作用，纳米结构或超材料、芯片飞行电子、晶体束缚电子、光子相互作用的新机制，为未来光电子芯片提供了新途径。
纳米结构光调控[6]
微纳功能表面，可操控声子、表面等离基元等准粒子的特性及其与光子、电子的相互作用，这种操控作用带来的新机理、新特性促进了新颖光电子材料、光电子芯片的发展。受益于半导体与微纳制造技术，微纳功能表面与微光学元件，可在与集成电路一样的洁净室中，批量制造。
节能材料与元件
AI-PC电脑高增益导光板
通过非对称微结构调控光波导的取光角度与范围，可大幅提高超薄导光板的光效，让笔记本背光照明的功耗降低，为AI-PC提供节能解决方案。
太阳能电池间隙增效膜
通过薄膜表面微结构对光线的反射特性，将电池间隙上方的光线以波导方式导入到太阳能电池表面，将光线在电池表面多次反射，可将光伏转换效率提升0.5%。
红外辐射制冷膜
利用大气红外辐射窗口、亚波长光子结构与反射层对红外光谱的相互作用，将中红外波长的热量辐射到太空，降低物体表面的温度，不同类型的微结构的降温幅度3～10度。
抗光干扰激光投影幕布
优化设计微纳结构形貌，让其对投影光形成定域反射，使得从幕布反射出来的光分布到需要的观察区域，降低其他来自于环境光到达观察区，实现抗光性和高增益投影幕布。
偏振光材料
利用手性材料与液晶材料的偏振敏感性，设计制造宽带特性的偏振光栅和液晶透镜和特点功能的光子器件。利用纳米光栅（100nm周期）制备金属纳米偏振膜，应于光电探测和显示的光能转换。
光场重构与平面成像
光束整形与投影成像
基于傅里叶变换迭代算法，计算单波长下微纳结构相位分布，对特定目标进行光场重构。比如，空间感知的三维测量，利用微透镜阵列的光场调控功能，形成光束整形图形投影照明。
用于汽车道路照明的光束整形投影成像
宽带光场成像
基于共轭成像算法，单层微纳结构形貌对光场相位精确调控，实现宽带光场重构、光场成像、深度感知和成像变换等。
周视宽带光场成像
立体成像与光学纹理
将微纳结构按照特定模式组合，对光传播方向和扩散度调控，形成立体图像、光学纹理和结构色图像，比如，浮雕立体光学纹理材料。
立体成像、光学纹理与智能表面
平面透镜
用微纳结构、如菲涅耳透镜及其阵列对光场传播相位进行精确编码，实现可见光区的光波前转换和成像。比如，对地光学观测轻量化平面透镜等。
平面透镜应用
集成成像/微棱镜阵列
光场感知、CCD灵敏度提升、光纤耦合等，以及用于光学安全的光场成像薄膜。
光场曲面成像AMOS
超表面/超透镜
亚波长结构排列组合，对光场的相位分布或偏振进行调控，实现对光场聚焦或成像。比如，未来相机镜头平面化[7~9]、小型化和集成化。
超表面光波前转换
新型显示上游元件
增强现实AR
亚波长光波导，可将微投影的影像耦合进光波导形成扩瞳，在空间中形成虚拟影像，用于增强现实AR眼镜。
增强现实AR与衍射光波导
空间透明显示
利用大尺寸（8吋～21吋）衍射光波导和微投系统，在空间形成多景深虚像，虚像之间的距离10～20米，各层之间可实现影像交互并与真实场景融合，提供裸眼观察空间虚实融合的功能。
多景深透明空间成像
光场3D显示
将阵列化微透镜与微图形层叠化，对光场空间传播的相位调控，在空间形成特殊光场分布与光场3D显示。
宽带光场成像
全息隐藏照相机
利用光波导功能，在玻璃表面制备亚波长纳米结构，与隐藏传感器结合，可将玻璃转变成照相机。
蔡司 Holocam 技术
生物/智能表面材料
智能表面材料
利用微纳结构的界面、材料和透光的特性，形成电容传感、表面光学纹理、光学亮暗变化功能表面，如汽车内外装饰材料。
蒙皮减阻降冰材料
特定微结构对水、风形成的局域流场进行调节控制，减小了水、风对接触面阻力，形成减阻材料。如鲨鱼皮、沙垅形貌飞机减阻材料。
生物敏感结构和柔性超表面材料
将微纳结构和微图形按特定顺序排列，可用于纳米孔基因测序、微流控芯片；比如微结构生物培养皿、壁虎爪吸附材料。[11]
疏水结构材料
100nm周期排列的纳米结构与疏水材料组合，形成超疏水材料。
完美吸收材料
将纳米结构与纳米铝层和半导体Si N等组合，形成对红外光谱的完美吸收。比如光学红外隐身材料。
精细透明电极
利用微结构对纳米导电材料（Ag、石墨烯等）平面内或空间中重新分布，形成既透明又导电的新材料，在透明度达到89%条件下，导电率比半导体材料提高1～2个数量级。比如柔性透明导电材料，超精细封装材料、微波屏蔽材料。
磁性透明图形薄膜
利用微结构对磁导材料在平面内规则排列，比如磁性二维码和磁性传感器。比如，微波隐身材料。
智能表面效果
泛半导体传感元件
阵列探测器
微纳结构物理机理和独特光电特性为探索新型光电子芯片提供了可能。自由电子辐射、实时光谱成像、声子传感、光轨道角动量辐射、光量子态产生及操控等光电子芯片。
(a)微型光谱仪集成光谱成像芯片;
(b)单个微型光谱仪超表面。光谱成像芯片及单个微型光谱仪示意图
涡旋SPR产生-仿真结果（左） 波导耦合纳米臂光声晶体微腔（中）
SOI集成光 OAM 发射器
偏振探测器
常见的偏振探测器如下示意图，像素含不同取向偏振光栅、微透镜阵列和CMOS。偏振光刻技术可调控光栅周期和取向变化，结合三维光刻工艺，制备偏振光栅、微透镜阵列、提供偏振检测的灵敏度和精度。
偏振成像探测器：偏振光栅+微透镜阵列光刻
柔性生物传感器
下图脑机接口的微结构电极，采用三维光刻制备深结构模具、通过纳米压印和3D打印技术制备柔性生物传感器。[10]
柔性生物传感器