Flexibele nano-imprintlithografie maakt efficiënte vervaardiging van biomimetische microstructuren mogelijk

Op galliumnitride (GaN) gebaseerde lichtgevende diodes (LED’s) hebben de verlichtingsindustrie getransformeerd door conventionele verlichtingstechnologieën te vervangen door superieure energie-efficiëntie, langere levensduur en grotere ecologische duurzaamheid. De afgelopen jaren is er veel aandacht besteed aan de trend richting miniaturisatie van LED’s, aangestuurd door display-apparaten, augmented reality, virtual reality en andere opkomende technologieën.

Vanwege het gebrek aan kosteneffectieve native substraten is de aanwezigheid van een hoge threading dislocation density in heteroepitaxiale films die op saffiersubstraat zijn gegroeid een belangrijke beperkende factor voor de prestaties van het apparaat. Bovendien verminderen Fresnel-reflecties op de interface tussen epitaxie en substraat, veroorzaakt door abrupte veranderingen in de brekingsindices van het materiaal, het lichtenergiegebruik.

Gedistribueerde nano-nipple arrays op de samengestelde ogen van motachtige dieren hebben een uitstekend antireflectievermogen en een sterk lichtabsorptievermogen, wat een geweldige inspiratie biedt voor het verbeteren van lichtgebruik. Snelle en nauwkeurige verwerking van microstructuren op gebogen oppervlakken van opto-elektronische apparaten is echter een grote uitdaging.

“De gangbare projectielithografiemethoden zijn erg gevoelig voor de vorm van het substraat, dus de nauwkeurigheid van de microstructuurdefinitie kan afnemen wanneer het substraat grote krommingen of onregelmatige vormen heeft. Wij stellen een flexibele nano-imprintlithografietechniek voor die een hoge doorvoer en hoogwaardige verwerking van bionische microstructuren op gebogen oppervlakken mogelijk maakt,” aldus professor Shengjun Zhou.

De onderzoekers voerden eerst het ontwerp uit van bionische microstructuurarrays en flexibele nano-imprintingmallen. De vervaardiging van de microstructuren werd gerealiseerd door thermocompressiegieten, imprinten, UV-belichting en een speciaal ontworpen tweestaps etsproces om een ​​samengestelde-oogachtige silica-microstructuren (NCSM) sjabloon te verkrijgen.

Er wordt aangetoond dat flexibele nano-imprinting aanpasbaar is aan kromtrekken van het substraat, nauwkeurige definitie van microstructuren mogelijk maakt en een goede duurzaamheid biedt. Vergeleken met projectielithografie werd de productiviteit met een factor 6,4 verhoogd en werden economische kostenbesparingen van 25% bereikt.

De onderzoekers onderzochten het groeigedrag van GaN-kristallen op NCSM-template door middel van epitaxiale groeionderbrekingsexperimenten. Ze ontdekten dat het aanpassen van de morfologie van de nucleatielaag door de NCSM-template helpt om de groeirichting van GaN te controleren en epitaxiale films te verkrijgen met een lage dislocatiedichtheid. Bovendien kan de NCSM-template de lichtextractie-efficiëntie van de apparaten aanzienlijk verbeteren dankzij de modulatie van fotonen door de bionische microstructuren.

Professor Sheng Liu zegt: “Dankzij deze twee verbeteringen is de lichtopbrengst van mini-LED’s op basis van het NCSM-sjabloon aanzienlijk verbeterd.”

Hij concludeert: “Deze studie is veelbelovend voor de efficiënte fabricage van microstructuren en prestatieverbetering van opto-elektronische apparaten. In de toekomst zullen we flexibele nano-imprintingtechnieken blijven onderzoeken en verwachten dat dit bredere toepassingen zal opleveren.”

Het papier is gepubliceerd in het dagboek Wetenschappelijk Bulletin.