石墨烯导热膜是电子器件和系统重要的热管理材料。近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所纳米材料与器件实验室丁古巧团队在石墨烯导热膜尺寸效应研究方面取得进展。该工作通过建立亚微米-微米氧化石墨烯原料横向尺寸与导热膜热导率之间的联系，深化了对于3000℃高温下氧化石墨烯组装体还原重组过程的认知，为组装石墨烯等二维材料构建高性能宏观体提供了新思路。 研究发现，石墨烯膜的热导率与组装石墨烯膜原料的横向尺寸相关，一般大尺寸原料利于提升其导热性能。这是由于原料片层的横向尺寸越大，石墨烯膜中片层间的界面越少，越利于热输运。因此，选择大尺寸的氧化石墨烯原料，通过涂布、干燥、石墨化和压延等工艺来制备石墨烯导热膜，是制备高性能石墨烯导热膜的重要策略。然而，大尺寸氧化石墨烯的批量化制备面临技术挑战，并存在制备过程繁琐、低产率和高成本等问题。同时，在组装过程中，大尺寸氧化石墨烯对高温过程产生气体的逸出存在更显著的抑制作用，导致导热膜引入的皱纹和微孔等结构缺陷更多。这限制了大尺寸原料在制备高性能石墨烯方面的优势。 该团队探讨了氧化石墨烯尺寸变化对石墨烯导热膜性能的影响即尺寸效应。为了消除原料片层厚度等其他参数的影响，从同一氧化石墨原料出发，该研究采用机械剪切方式制备了平均横向尺寸覆盖亚微米至微米尺度的11组氧化石墨烯。基于此，研究利用完全一致的刮刀涂布、干燥、石墨化、压延等工艺组装制备石墨烯导热膜。按照原料横向尺寸，这些石墨烯导热膜可分为大尺寸氧化石墨烯制备的导热膜、常规尺寸氧化石墨烯制备的导热膜、超小尺寸氧化石墨烯制备的导热膜。在亚微米尺寸范围内，石墨烯导热膜的横向热导率与氧化石墨烯原料横向尺寸呈现负相关关系即负尺寸效应，这与微米范围内的规律相反。进一步，结构分析表明，超小尺寸氧化石墨烯在高温石墨化过程更利于气体的排出而避免缺陷产生，且小晶粒在高温石墨化过程中易于融合和长大。这表明选择亚微米超小尺寸氧化石墨烯是制备高性能石墨烯导热膜的重要策略。同时，相对于大尺寸氧化石墨烯原料，亚微米超小尺寸氧化石墨烯的更易获得，规模化制备难度和成本更低。 基于上述成果，该团队以超小尺寸氧化石墨烯为原料，在~110μm膜厚时实现了1550.06±12.99 W/mK的横向热导率，超过此前文献报道的水平。该水平与使用大尺寸氧化石墨烯制备的导热膜相近，且纵向热导率更高。在实际应用场景中，相较于裸芯片，芯片表面温度在装载石墨烯导热膜后有所降低，最大降温幅度达到21.2℃，芯片表面温度分布更加均匀。因此，超小尺寸氧化石墨烯制备的高性能导热膜可以较好地满足电子器件实际热管理需求。这为制备高性能石墨烯导热膜提供了新思路，并为提升石墨烯导热膜纵向导热性能提供了新线索。 原料尺寸对石墨烯导热膜热导率的影响机制 石墨烯导热膜的传热性能 查看详细>>

近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心熊伟教授团队提出了一种新颖的金属氧化物纳米3D打印方法。研究团队受组氨酸在血液中运输微量元素的启发，研究制备出了金属离子协同配位的水溶性（MISCWS）树脂，进而实现了各种金属氧化物的3D微纳结构与功能器件的制造。此外，MISCWS树脂的协同配位效应使聚合物内的无机质量分数增加了2.54倍，有效地降低了金属氧化物3D微纳结构的形貌畸变。该研究为制造基于金属氧化物的各种微型功能器件铺平了道路，相关研究成果以3D Nanoprinting of Heterogenous Metal Oxides with High Shape Fidelity为题发表在《Advanced Materials》上。 金属氧化物具有半导体性、压电性、光学透明性和赝电容性等独特性质，是制造各种功能器件和集成系统所不可缺少的材料。3D微纳结构不仅能够大幅提升金属氧化物功能器件的性能，还能够实现一些2D器件无法实现的功能，如3D光子晶体、各向异性的机电响应和高强度的轻质超材料结构。得益于亚100纳米分辨率下几乎不受限制的3D打印自由度，双光子聚合成形技术具有打印精细复杂金属氧化物3D结构的潜力。近年来，尽管金属氧化物的微纳3D打印已取得了诸多进展，但一直以来始终面临着材料种类受限、形貌畸变严重、制造速度低下以及异质集成困难的挑战。 针对上述难点，熊伟教授团队设计出了一种咪唑和丙烯酸协同配位水中金属离子的物理机制，并利用该机制开发出了一系列MISCWS树脂，用于各种金属氧化物的纳米级3D打印，包括MnO2、Cr2O3、Co3O4、Al2O3、NiO、MgO和ZnO等，如图1所示。此外，丙烯酸和1-乙烯基咪唑与金属离子的协同配位作用可使得3D聚合物模板中的金属离子含量增加到30.5 wt%。该含量比以往文献中所报道的金属含量值至少高出2.54倍，进而有效缓解了热解后结构的形貌畸变。 研究团队通过对含有不同金属离子的MISCWS树脂进行顺序的激光3D打印，制备出了具有两种金属元素嵌套的二维“太极”结构、三维“凯特环”结构以及具有四种金属元素嵌套的“环”结构（图2），从而实现了高精度多材料的异质打印，为后续制造三维集成微系统铺平了道路。 研究团队还进一步制造出了3D多孔的氧化锌气体传感器，在200 ppm NO2环境中灵敏度高达111.3万，比传统的二维传感器灵敏度至少高出10倍。此外，该传感器还展现出了良好的气体选择性（对NO2的灵敏度至少比其他气体高4个数量级）和线性度（相关系数为0.957），如图3所示。 图1.MISCWS树脂的配备原理及利用该树脂打印出的金属氧化物3D微纳结构 图2.多种材料的纳米级异质3D打印 图3.3D氧化锌微传感器的气体探测性能 查看详细>>

随着互联网、物联网、云计算以及人工智能的快速发展，我们仿佛置身于一片浩瀚的数据海洋中，生活中新产生的信息、图片亦或是视频，都在不断地对数据海洋进行扩充，永无止境……然而，数据的不断剧增也给人们的日常生活带来了一系列的问题，例如：数据存储容量的不足、硬件的存储密度亟需提升等等。为了更好地存储和管理海量的数据、提高数据存储密度，基于低功率激光束与介质相互作用，使得介质的某种性质(如反射率、反射光极化方向等)发生改变，进而实现信息存储的新型光存储技术吸引了人们的广泛关注。 图1存储技术的发展示意图：从传统光盘存储到固态硬盘存储，再到新型光存储 如图1所示为存储技术的发展示意图。光存储技术起源于20世纪60年代，经历了CD、DVD以及BD三代产品更新迭代。随后，全固态硬盘(SSD)、硬盘(HHD)等存储技术的快速发展，其存储密度、容量不断增大和成本不断降低，逐渐取代了传统光存储，从此传统光存储市场开始走向衰弱。随着人工智能黄金时代到来，AI大模型训练的需求，数据成为了一种刚需。根据国际数据的预测合作（IDC）2018年，全球数据将增至到2025年为175 ZB，到2035年为2142 ZB。而主流的数据保存方法，例如传统的硬盘和磁带等存储方法，面临着存储寿命和能耗方面的严峻挑战，难以胜任庞大的现实需求。此时，全息光存储技术、多维光存储、超分辨率光存储等新型技术凭借其卓越的离线存储能力、巨大的数据容量和持久的存储寿命，在数据存储领域的重要性日益凸显，同时相关的研究开发也成为了全球相关研究团体及科技公司的关注焦点。 数据存储的未来：新型光存储技术 1994年德国科学家Stefan W.Hell教授提出受激辐射损耗显微技术，首次证明了光学衍射极限能够被打破，并在2014年获得诺贝尔化学奖。突破了传统光盘存储的物理限制，实现更高存储密度、更快读写速度、更长保存寿命和更低能耗的数据存储方案，进而满足大数据时代对海量数据存储的需求，人们也针对全息光存储、多维光存储、超分辨率光存储等新型光存储技术领域开展了一系列的研发攻关，并取得了较为丰硕的成果。 (1)全息光存储技术 如图2所示，全息光存储技术通过两束激光的干涉现象实现数据存储，可以将二维数据页图案存储在三维体空间中，从而提升存储密度和数据存取速度，在这一过程中，一束激光（信号光束）携带待存储的信息，通过与另一束未携带信息的激光（参考光束）相遇，产生干涉条纹，这些条纹作为信息的光学编码，被记录在特殊的光敏材料上，形成全息图。当需要读取信息时，只需用参考光束照射全息图，即可重建出原始的信号光束，从而恢复出存储的数据。全息光存储技术的现世，立刻引发了科研人员以及产业界的广泛关注，在众多领域都得到广泛的应用。大数据存储领域，在大数据时代背景下，对于存储密度和存取速度的需求日益增长。例如，美国InPhase公司于2001年推出基于角度复用的全息光驱Tapestry。在2006年实现了光驱的容量为300 GB，读写速率为20 MB/s的全息光存储技术。该公司研发的双化学体系的Tapestry材料，经加速老化试验测试，预期在25℃环境中，保质期为10年，存档寿命为33年。2017年之后，东京理科大学和广东紫晶信息存储技术股份有限公司联合开发了基于球面波参考光，单臂离轴全息光存储系统。该系统使用50 mm×50 mm的记录介质，其容量约为300 GB。 图2(a)全息光存储示意图，(b)全息光学存储机 （2）多维光学数据存储 多维光存储的复用维度、存储光盘及读取原理如图3所示。相较DVD蓝光等二维（2D）光学存储方式，三维（3D）光学数据存储充分利用各向同性材料的体积，可以在材料内部的任何位置存储数据。同时，为了进一步超越存储容量的限制，研究人员在传统空间三维之外探索其他维度，这些维度包括了光的振幅、频率（波长）、相位、偏振以及光波前的其它物理参量等，它们都可以携带和记录信息，涉及了基于双折射、等离子体共振和荧光等光学特性的方法。如图3(a)所示，目前，已经开发出的复用维度包括介质的三维空间、偏振、波长以及光强。其中包括基于金纳米棒的波长、偏振、三维空间复用的五维度光存储，以及基于纳米光栅结构的偏振、光强、三维空间复用的五维度光存储。但受限于材料对光各个参数的响应不同，六维度光存储技术一直未得以实现，另外光的轨道角动量特性虽然已被用在量子存储上，但在数据长效存储上并未得以实现。 例如，韩国和法国的科研团队合作发明了一种在玻璃里用激光“写”数据的技术。这种技术可以在玻璃的不同层上存储数据，就像是在书架的每一层上都放书一样。浙江大学和之江实验室联合团队利用超快激光诱导非晶化相变的局部光学相位调制，在材料表面制造出微小的结构，通过控制这些结构的形状和颜色，就能存储数据。通过图像识别进行高速数据提取，达到了大约1.2 Gb/s，并且准确度高达约99.7%，无需依赖昂贵且复杂的光学分析系统和信号处理过程，有效缓解了多维光存储技术数据读取速度慢的问题。在实际应用中，多维光学存储技术可以应用于海量数据存储、结构色打印、多功能衍射光学元件、矢量全息、多维信息加密等场景，具有广泛的应用前景。 图3(a)多维光存储的复用维度示意图，(b)多维光学数据存储光盘及读取原理 （3）超分辨光学数据存储 光学衍射极限是光学存储技术中的一个关键障碍，它决定了数据存储的最小单元尺寸。为了克服这一限制，科学家们一直在探索新的技术路径。其中，超分辨光学数据存储技术的出现，为我们提供了一种全新的解决方案。这项技术通过创新的光学手段，突破了传统光学衍射的束缚，使得数据存储点的尺寸可以做得更小，从而大幅提升了存储密度。 2015年，李向平、曹耀宇等人运用双光束超分辨技术实现超大容量的光存储，将800 nm飞秒超快光源作为记录光束，375 nm连续激光作为抑制光束，在玻璃基板上实现了最小33 nm的记录点，实现大大提高了存储面密度。目前，最前沿的超分辨光学数据存储技术是上海光学精密机械研究所阮昊研究员团队和上海理工大学顾敏院士联合的一种双光束调控聚集诱导发光超分辨光存储技术，实验上首次在信息写入和读出均突破了衍射极限的限制，实现了点尺寸为54 nm、道间距为70 nm的超分辨数据存储，并完成了100层的多层记录，单盘等效容量达Pb量级，这相当于把一个小型数据中心机柜缩小到一张光盘上，这一成果不仅极大地提高了存储效率，而且对于应对大数据时代日益增长的数据存储需求具有重要的战略意义。 查看详细>>

近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心熊伟教授团队提出了一种新颖的分子三维组装方法。通过规划飞秒激光焦点扫描路径控制各项异性分子的定向排布，研究团队实现了液晶分子高精度和高自由度的三维定向组装。该研究不仅可用于液晶型光电功能器件的三维高精度组装制造，同时也为其他各向异性分子的三维高自由度高定向组装提供了新的思路。相关研究成果以“3D Directional Assembly of Liquid Crystal Molecules”为题发表在《Advanced Materials》上。 分子自组装是指无序的分子在分子间相互作用下形成有序结构的一种技术，被认为是最有潜力的“自下而上”纳米技术之一。该技术能够充分发挥各向异性分子基团的光、电、磁、热、机械等特性，从而满足信息、生命、电子、材料等领域的应用需求。然而，分子间的弱相互作用往往难以实现应用中所需的强各向异性，限制了高性能各项异性分子器件的发展。目前，国际上已报道的分子定向组装多为单轴有序排布，各向异性分子也仅能按照晶格或堆叠的有序排列，如何攻克高精度、可编程、高自由度的三维分子组装一直是当前的一项国际难题。 针对这一挑战，熊伟教授团队以典型的各向异性液晶分子为例，利用飞秒激光直写技术，编程规划激光焦点的扫描路径，实现了液晶分子的高自由度三维定向组装，通过控制激光扫描方向即可定制分子组装方向。这一方法无需对液晶分子进行预先取向处理，首次在三维分子组装领域将光场用于分子取向与聚合过程，实现了单步高精度高定向的分子组装，如图1所示。 通过在加工系统上搭建实时偏振观察模块并结合理论推导计算，研究团队深入探讨了飞秒激光定向组装液晶分子的物理机制。研究表明，在飞秒激光扫描成形过程中会产生显著的激光诱导剪切力效应，液晶分子沿激光扫描方向形成取向种子层。在随后的显影过程中，由于各向异性的体积收缩，聚合物主链沿激光扫描路径定向排列，从而进一步强化规范了液晶分子的定向排布，如图2所示。 该研究充分发挥了飞秒激光加工的可编程优势，通过激光扫描路径规划可实现不同偏振干涉色的微纳结构，成功制造出具有偏振选择和彩色成像功能的菲涅尔波带片阵列，如图3所示。 熊伟研究团队基于飞秒激光定向组装分子的策略，利用飞秒激光直写的高精度和真三维制造优势，成功实现了液晶分子的亚微米精度（129.6 nm）和高自由度的三维组装，同时该方法在其他有机高分子材料的各向异性组装中也展现出了巨大的潜力。 图1.液晶分子的三维定向组装示意图与实物图 图2.实时偏振观察装置与液晶分子的飞秒激光组装原理 图3.偏振干涉色与具有偏振选择和彩色成像功能的菲涅尔波带片阵列 查看详细>>