清华航院张一慧课题组合作在三维微结构及器件
发布时间:2019-11-08

  近年来,三维细微观结构在微机电系统、微电子器件、生物器件、超材料等领域展现了重要的应用前景,相关三维结构的制备方法也受到了广泛的关注。最近发展起来的基于力学引导的屈曲组装方法,在与平面微加工工艺结合的同时,可以实现三维细微观结构的精确组装,同时也适用于多种功能材料和特征尺度。高手世家神算然而,到目前为止,该组装方法既无法实现不同三维构型间的快速重构,也很难实现三维结构的局部可控组装。上述两点在一定程度上限制了该方法在组装复杂可重构三维结构方面的能力,特别是一些有特殊需求的可重构三维微电子器件。

  为解决上述问题,航院张一慧课题组提出了一种利用介电弹性体组装平台实现的三维结构快速组装与重构的方法。该方法利用介电弹性体平面驱动器的快速电致变形,通过采用电致变形区域的图案化设计等策略,结合力-电耦合的驱动模式,实现了复杂三维构型的快速组装与重构。该组装策略同样适用于广泛的材料种类和结构特征尺度。

  在该《国家科学评论》论文中,研究团队首先阐述了利用介电弹性体组装平台实现三维组装的一系列设计概念;提出了基于力-电耦合力学分析的设计方法,并通过理论、有限元仿真和实验三方面对该设计方法的有效性进行了验证;给出了近30种基于该组装策略的三维构型,验证了该策略在实现复杂三维结构的快速组装与重构方面的巨大优势;基于该组装策略,设计并制备了一种谐振频率可调的三维可重构电容器件,为三维微电子器件的快速组装与重构提供了一种新的实现途径。

  图1:基于介电弹性体驱动平台的电控三维组装过程示意图,比例尺为8 mm 。

  图2:A图为基于介电弹性体组装平台的电控三维组装构型展示,其中灰色区域为电极。比例尺为6mm。B图为利用电控三维组装得到的类青蛙结构。比例尺为10mm。C图为利用力-电耦合加载得到的一种三维可重构结构,构型I对应基底同步卸载后得到的组装结果,构型II为在构型I基础上进行电控组装得到的组装结果,比例尺为10mm。

  图3:A图为可重构电容器件的有限元仿线代表离面位移。B图为该可重构LC电路在四种状态下入射信号的回波损耗曲线)。C图为利用该LC电路实现的亮度可调的LED演示实验。清华大学航院长聘副教授张一慧为本文的通讯作者。清华大学航院2017级博士生庞文博为本文的第一作者。合作单位包括浙江大学李铁风教授课题组和合肥工业大学黄文教授课题组。该研究成果得到了国家自然科学基金项目、清华大学自主科研计划和清华信息科学与技术国家实验室的支持。

  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。

  11月6日,清华大学航院副教授张一慧和博士生马强荣获2017年美国机械工程师协会最高论文奖梅尔维尔奖章(Melville Medal),美国机械工程师协会主席查拉·怀斯为张一慧颁发奖章。另外,国际工程科学协会日前也将2018年“青年学者奖”授予张一慧,表彰他在力学引导确定性三维组装、分形柔性电子力学以及软质网状材料的仿生设计方面所做出的原创性工作。


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