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清華航院張一慧課題組合作在三維微結構及器件快速組裝與重構方面取得重要進展
2019-11-07 17:37:04     毛雪鷗[     ]

11月4日,清華大學航天航空學院張一慧副教授團隊在《國家科學評論》(National Science Review)期刊發表了題為《基于介電彈性體組裝平臺的可重構三維細觀結構與電子器件的力電耦合組裝》(Electro-mechanically controlled assembly of reconfigurable 3D mesostructures and electronic devices based on dielectric elastomer platforms)的研究論文,系統報道了一種利用介電彈性體組裝平臺實現的三維微結構快速可控組裝與重構的新方法,并基于此方法設計制備了一種諧振頻率可調的可重構三維電容器件。

近年來,三維細微觀結構在微機電系統、微電子器件、生物器件、超材料等領域展現了重要的應用前景,相關三維結構的制備方法也受到了廣泛的關注。最近發展起來的基于力學引導的屈曲組裝方法,在與平面微加工工藝結合的同時,可以實現三維細微觀結構的精確組裝,同時也適用于多種功能材料和特征尺度。然而,到目前為止,該組裝方法既無法實現不同三維構型間的快速重構,也很難實現三維結構的局部可控組裝。上述兩點在一定程度上限制了該方法在組裝復雜可重構三維結構方面的能力,特別是一些有特殊需求的可重構三維微電子器件。

為解決上述問題,航院張一慧課題組提出了一種利用介電彈性體組裝平臺實現的三維結構快速組裝與重構的方法。該方法利用介電彈性體平面驅動器的快速電致變形,通過采用電致變形區域的圖案化設計等策略,結合力-電耦合的驅動模式,實現了復雜三維構型的快速組裝與重構。該組裝策略同樣適用于廣泛的材料種類和結構特征尺度。

在該《國家科學評論》論文中,研究團隊首先闡述了利用介電彈性體組裝平臺實現三維組裝的一系列設計概念;提出了基于力-電耦合力學分析的設計方法,并通過理論、有限元仿真和實驗三方面對該設計方法的有效性進行了驗證;給出了近30種基于該組裝策略的三維構型,驗證了該策略在實現復雜三維結構的快速組裝與重構方面的巨大優勢;基于該組裝策略,設計并制備了一種諧振頻率可調的三維可重構電容器件,為三維微電子器件的快速組裝與重構提供了一種新的實現途徑。

圖1:基于介電彈性體驅動平臺的電控三維組裝過程示意圖,比例尺為8 mm 。

 

圖2:A圖為基于介電彈性體組裝平臺的電控三維組裝構型展示,其中灰色區域為電極。比例尺為6mm。B圖為利用電控三維組裝得到的類青蛙結構。比例尺為10mm。C圖為利用力-電耦合加載得到的一種三維可重構結構,構型I對應基底同步卸載后得到的組裝結果,構型II為在構型I基礎上進行電控組裝得到的組裝結果,比例尺為10mm。 

圖3:A圖為可重構電容器件的有限元仿真圖,U3代表離面位移。B圖為該可重構LC電路在四種狀態下入射信號的回波損耗曲線(S11)。C圖為利用該LC電路實現的亮度可調的LED演示實驗。

清華大學航院長聘副教授張一慧為本文的通訊作者。清華大學航院2017級博士生龐文博為本文的第一作者。合作單位包括浙江大學李鐵風教授課題組和合肥工業大學黃文教授課題組。該研究成果得到了國家自然科學基金項目、清華大學自主科研計劃和清華信息科學與技術國家實驗室的支持。

論文鏈接:

https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwz164/5610793(來源:清華新聞網)

 

 

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