突破性卷对卷纳米压印技术实现可见光超透镜工业化量产
超表面因其在亚波长尺度上操控光的能力，在过去二十年中得到了广泛研究，在波导、透镜、全息、光束偏折、彩色滤波和成像等领域展现出巨大潜力。其中，超透镜作为传统笨重透镜的紧凑、轻量化替代品，能够实现高数值孔径、消色差成像、可调焦和边缘检测等先进功能。然而，尽管性能卓越，超表面向工业规模应用的转型一直受到制造成本高、良率低和工艺复杂的阻碍。早期的可扩展制造探索了自下而上组装和随机纳米颗粒方法，但牺牲了结构精度和设计灵活性；而深紫外光刻虽能提供晶圆级高保真图案化，却依赖昂贵的半导体工艺。纳米压印光刻虽成为有前景的替代方案，但传统工艺受限于手动操作、自动化程度低或镍模具成本过高等问题。
近日，成均馆大学Gyoujin Cho教授、Inki Kim教授和浦项科技大学Junsuk Rho教授合作，展示了利用卷对卷纳米压印技术实现可见光超透镜的大规模、低成本、全自动化工业化生产，生产速率高达每秒300个超透镜，成本与传统折射光学元件相当甚至更低。通过原子层沉积高折射率二氧化钛层，器件光学性能得到显著提升，实验表征证实了全图案区域的高光学效率和高均匀性。这项工作为超表面技术从学术研究走向实际应用铺平了道路。相关论文以“300-unit-per-second roll-to-roll manufacturing of visible metalenses”为题，发表在Nature上。
研究团队首先设计并搭建了一套定制化的卷对卷紫外纳米压印系统（图1a）。整个工艺流程分为两步：首先，利用ArF浸没式扫描光刻机在300毫米晶圆上制作包含450个1厘米直径超透镜的母版（图1a左），然后通过紫外纳米压印将母版图案直接复制到柔性聚合物复制模具上（图1a右）。第二步，将该柔性模具应用于卷对卷系统，该系统由树脂涂布、压印固化单元和收卷三部分组成。图1b和1c展示了在200米长、275毫米宽的PET薄膜上连续生产的超透镜，其鲜艳的色彩表明纳米结构被良好复制。图1d显示了完整的300毫米晶圆级超透镜阵列，图1e的扫描电镜图像则确认了超原子结构的成功制备。
图1 | 大面积超透镜阵列的大规模制造流程。 a, 制造流程示意图：左侧为通过ArF浸没式扫描光刻机制备的300毫米晶圆母版；右侧为紫外纳米压印的柔性聚合物模具。aᵢᵢ, 卷对卷紫外纳米压印平台的大规模超透镜生产示意图，展示了压印单元的放大视图。b, 卷对卷平台收卷单元处收集的制造完成的超透镜照片。c, 在275毫米宽PET薄膜上通过卷对卷压印的大面积超透镜照片。比例尺，50厘米。d, 通过卷对卷工艺复制的完整300毫米晶圆级超透镜阵列的放大照片。e, 最终制造完成的超透镜的扫描电镜图像。比例尺，1微米。
为了实现高效的光学性能，研究团队设计了基于Pancharatnam-Berry相位原理的超原子结构（图2）。当右旋圆偏振光入射时，通过旋转各向异性超原子的角度，可使交叉偏振分量获得2θ的相位偏移，从而实现0到2π的完整相位覆盖。然而，单纯使用低折射率（约1.5）的压印树脂时，光无法被有效限制在结构内（图2a、2b），导致转换效率低下（图2c，仅约10%）。为解决这一问题，团队采用混合材料策略：在压印后的超原子上通过原子层沉积包覆高折射率的二氧化钛薄膜（图2e）。图2d显示二氧化钛在可见光波段具有高折射率，且折射率差随膜厚增加而增大。即使仅包覆23纳米的二氧化钛，转换效率也从10%大幅提升至90%（图2f、2g）。得益于几何相位的宽带特性，该超透镜在450纳米、532纳米和635纳米波长下分别保持了68%、90%和80%的高效率（图2h）。
图2 | 基于卷对卷兼容的高折射率混合材料的高效超原子设计。 a、e, 由纯树脂（a）和由树脂与二氧化钛薄膜组成的混合材料（e）构成的超原子示意图。b、f, 纯树脂超原子（b）和混合材料超原子（f）的模拟电场分布。c、g, 纯树脂超原子（c）和混合材料超原子（g）的模拟转换效率。d, 计算得到的折射率差随二氧化钛厚度的变化关系。h, 纯树脂和混合材料超原子的转换效率随波长的变化关系。周期，P；高度，H。
在卷对卷生产工艺中（图3a），紫外树脂通过定制化的迈耶棒系统均匀涂布在运行的PET薄膜上（图3b）。柔性聚合物复制模具被包裹在金属压印辊上（图3c），在压印辊与对辊的共同作用下，树脂被压入模具图案，同时紫外光照射使其固化，随后在支撑辊处完成脱模，最终由收卷辊收集成品（图3d、3e）。与传统昂贵的电铸镍模具不同，本研究直接采用紫外树脂在PET背板上复制母版得到柔性聚合物模具，大幅降低了成本。图3f至3i的扫描电镜图像显示，模具和压印结构均实现了高质量保真复制。图3j中不同视角下观察到的鲜艳结构色进一步证实了纳米特征的优异质量。
图3 | 通过卷对卷紫外纳米压印工艺进行大面积超透镜的大规模制造。 a, 大面积超透镜阵列的卷对卷制造流程示意图，展示了各道工序。b, 使用定制迈耶棒系统在PET薄膜上均匀涂布的紫外树脂。c, 包裹在金属压印辊上的柔性聚合物复制模具（压印固化单元）。d、e, 在运行的PET薄膜上连续制造的超透镜阵列。f、h, 复制模具的扫描电镜图像。g、i, 在PET薄膜上压印的超透镜的扫描电镜图像。j, 在不同视角下从压印的超透镜阵列上观察到的鲜艳结构色。比例尺，f、h为1微米；g、i为1微米。
光学表征结果（图4）显示，所制备的超透镜在设计焦距处形成了清晰的聚焦光斑（图4a），半高宽接近衍射极限。在白光照明下，从卷材上随机截取的200毫米宽样品中的所有超透镜均表现出聚焦功能（图4b）。为定量评估均匀性，研究团队测量了300毫米晶圆级超透镜阵列中央10×10阵列的聚焦效率（图4c），平均效率为47.2%，标准差仅3.2%，100个透镜中仅有两个效率低于40%。进一步沿整个300毫米晶圆级阵列的x轴方向测量聚焦效率（图4d），平均值为49.4%，偏差为2.9%，证实了大面积范围内的均匀性能。此外，沿200米卷材不同长度处测量的中央透镜效率保持一致（51.5%、47.5%、48.3%、47.0%），且不同压印压力下（5至45 kgf/cm²）的效率也基本稳定，表明工艺具有良好的重复性和鲁棒性。
图4 | 卷对卷压印超透镜的光学表征。 a, 在450、532和635纳米波长下焦平面处的二维强度分布。b, 从卷材上切取的200毫米宽卷对卷压印超透镜照片，展示了在白光下将光聚焦到一张纸上的效果。c, 在b图所示卷对卷压印超透镜阵列中央10×10阵列内测得的聚焦效率，显示了中心区域的均匀性能。d, 沿300毫米晶圆级卷对卷压印超透镜阵列x轴不同区域测得的超透镜聚焦效率，突出显示了整个面积上的性能均匀性。
综上所述，本研究通过定制化卷对卷纳米压印系统，以每秒300个透镜的高通量、低成本、全自动化的方式实现了超透镜的工业化规模制造。通过精心优化模具制备及卷速、张力和压印条件等关键工艺参数，成功实现了低至80纳米的特征分辨率。结合紫外固化树脂与原子层沉积二氧化钛薄膜的混合材料策略，光学性能得到显著提升，在全300毫米晶圆上实现了约49%的效率。尽管在规模化生产中，原位计量与质量控制以及沉积步骤的产能提升仍是未来需要进一步研究的方向（如采用空间分隔原子层沉积系统），但这项工作标志着超表面技术从实验室研究迈向商业应用的重要里程碑，对可扩展的超光学制造具有深远意义。
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