基于智能薄膜材料构建高斯曲率保护瞬变微结构和瞬态电子器件

自然界中植物有机体的运动分为向性运动和感性运动。向性运动时时刻刻都在进行，例如卷须植物的旋转环绕生长，这类运动很慢，往往需要几天甚至更久的时间才能显著观察得到。感性运动则是植物对外界刺激产生方向性无关的机械运动响应，这类运动过程非常迅速，往往在几秒钟内就可完成。典型的感性运动植物有含羞草、凤仙花孢子、捕蝇草等，它们通过感性运动实现防御、繁殖和捕食的目的。隐藏在感性运动背后的物理机制是高斯曲率保护定理，在该理论中，可展平面在没有明显的拉伸或压缩的情况下，高斯曲率保持为零。这意味着，无论如何弯曲一个平面，它总有一个方向的曲率为零。因此，也可以通过在一个方向折叠平面而迫使其在另一个方向上变平。利用这种机制，植物可以在几秒钟或更短的时间内实现快速的机械运动。

1月21日，《自然-通讯》（Nature Communications）杂志发表了复旦大学材料科学系梅永丰课题组题为《三维微型结构在高斯保护下的非易失性变形及其在双功能电子领域的应用》（“Gaussian-Preserved, Non-Volatile Shape Morphing in Three-Dimensional Microstructures for Dual-Functional Electronic Devices”）的论文。论文主要由田子傲副研究员、胥博瑞博士后和万广超博士合作完成，该工作得到美国达特茅斯塞耶工程学院陈资副教授和中科院微系统所狄增峰研究员的大力支持。

研究团队受到宏观自然界植物感性运动的启发，将高斯保护机制运用到微纳结构操控领域，实现了快速、非易失性、可重构和可逆的微纳结构变形。研究模仿了自然界中三种典型的感性运动（如图1(a)和1（b）所示）。在微纳尺度下，基于高斯保护机制，对双层智能材料VO2刺激响应功能薄膜引入Cr“折痕”，诱导薄膜按照特定方向运动，并储存能量，形成非易失结构。通过机械或热刺激，储存的能量被快速释放，在4.5微秒内可以实现不同结构之间的转换。通过对“折痕”结构的设计，可以实现纯弯曲、反对称弯曲和交叉弯曲（如图1（b）所示）。

图1(a)三种植物形态变形的概念概述，以及(b)相应的人造微纳结构的形态变形。(c)隐蔽天线。左图分别为I型和II型天线的SEM图像。右图分别显示了形状I和形状II相对于频率的回波损耗(S11)。(d)双功能开关。左图分别为I型和II型开关的SEM图像。右图显示了以激光照射作为开关的通断电流变化。红色线和蓝色线分别代表形状I和形状II。

研究团队将微纳尺度下的结构变形应用于微电子领域，以解决电子器件功能多样性的难题。结合智能材料VO2相变的电学特性和物理结构变形的结构特性，成功制备出双功能瞬态电子器件（如图1 (c)和(d)所示）。天线能将电磁波从传导元件传送到空间，其性能在很大程度上取决于其物理几何形状。例如可隐藏天线（如图1 (c)所示），其工作频率会因形状变形而改变。形状由II型变为I型，工作频率由47.4 GHz变为48 GHz，反射系数降至-4 dB以下。在同一材料系统中实现了天线的“隐藏”和“出现”。另一个例子是双功能MEMS开关（如图1 (d)所示）。两种类型的开关在光刺激下的响应表现出不同的开关比，说明双功能开关能够更灵活地调控电路。该工作为“超越摩尔”（More than Moore）的路线图提供了多样化的制造范式。（文/复旦大学）