微纳组装技术是制造半导体电子电力器件的关键技术，而传统的微纳组装技术，如有“抓取-释放”功能的机械手臂，往往依赖复杂昂贵的设备和可以熟练使用这些设备的专业操作人员，且对可组装的样品材质有比较高的要求。日前，北京理工大学张帅龙教授和加拿大多伦多大学Aaron R. Wheeler教授团队开发了一种新的对微纳材料进行组装和封存的光学方法，组装和封存后的图案可被转移至不同衬底。深入研究发现该方法可用来组装石墨烯、银纳米球、碳纳米球和聚苯乙烯微球，也可组装金属微球和尺寸数百微米的电容器，并将这些电子电力器件集成到电路中去。该光学组装和封装方法操作简单，可应用于绝缘体、半导体和导体等多种金属和非金属材料，也可应用于从几十纳米到数百微米的不同尺寸的微粒和元器件，丰富了现有的微纳组装技术，也为微纳组装技术的发展提供了新的研究思路。相关研究成果以“Integrated Assembly and Photopreservation of Topographical Micropatterns”为题发表在《Small》上，并入选杂志封面。北京理工大学张帅龙教授为论文的第一作者。
图1. 光电镊和光固化系统
本研究使用的系统如图1所示，为一套改良的光电镊系统。光电镊是一种依赖光致介电泳力的光学微操作技术，可对微小目标进行精确的操控。不同于传统的光电镊系统，本研使用的系统拥有两套独立光源，一套为紫外光源，一套为红光光源，两套光源被同一台DMD控制，可在光电镊芯片上投射预先设定好的图案。其中紫外光可固化PEGDA水凝胶溶液，使其产生和光源投射图案一致的微结构，如图1所示。
图2.光学组装和封装纳米、微米材料。
当光电镊系统投射红光时，受光致介电泳力的影响，石墨烯、银纳米球、碳纳米球、聚苯乙烯微球可被组装成不同的微图案，如麦克斯韦方程、爱因斯坦和居里夫人卡通图案，如图2所示。组装完成后，将红光关闭，开启紫外光，组装后的图案即可被封装在固化的水凝胶中，被完整的保存下来。整个过程操作简单，时长约两分钟，组装的图案也可根据光斑的图案进行灵活的调整。
图3.将封装后的团案转移至不同衬底
如图3所示，图案组装和封装完成后，移除未被固化的水凝胶溶液，再使用PDMS和双面胶，即可将被封装好的图案转移至多种不同衬底，转移过程对图案的微结构没有影响。
图4.组装金属微球和电容器
应用该技术，由焊锡材料制作的金属微球可被组装至电路中，连接两个独立的金属电极，使之形成导电通路。除此之外，尺寸数百微米的商用电容器可在光斑的操控下旋转和移动，被组装至两个电极间，形成具有电容属性的电路。这些实验验证了应用光电镊技术和光固化技术组装电子电力器件的可行性。
总结与展望：
本研究报道了一种基于光电镊和光固化技术的新型光学微组装技术，可对不同材质、不同尺寸的多种材料进行微装配，形成预设的微图案。团案组装完成后，可被转移至不同衬底，转移过程对微图案的结构没有影响。更重要的是，这种新型光学微组装技术可组装导电微粒、商用电容器等电子电力器件。这些实验结果为微组装、微制造和微操作等领域的研究提供了新的发展思路。
课题组介绍
第一作者介绍：
张帅龙，本科毕业于北京理工大学，博士毕业于英国Strathclyde大学，先后在英国Glasgow大学和加拿大Toronto大学从事博士后研究。获2019年度海外高层次人才计划（青年项目），现就职于北京理工大学机电学院、北京市智能机器人与系统高精尖创新中心，任教授、博士生导师，研究方向为光电操控、微纳机器人、生物检测芯片。
通讯作者介绍：
Aaron R. Wheeler，加拿大Toronto大学化学学院、生物工程学院、Donnelly细胞与生物分子研究中心教授，加拿大Tier 1首席科学家，微流体权威杂志《Lab on a Chip》责任主编，世界知名微流体、分析化学领域专家，参与加拿大自然科学和研究协会资助的十余项重大、重点科研项目。
论文信息：
S. Zhang, W. Li, M. Elsayed, J. Peng, Y. Chen, Y. Zhang, Y. Zhang, M. Shayegannia, W. Dou, T. Wang, Y. Sun, N. P. Kherani, S. L. Neale, A. R. Wheeler*, “Integrated Assembly and Photopreservation of Topographical Micropatterns”, Small, vol. 17, pp.2103702, 2021.
论文网址：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202103702
本文版权归原作者所有，文章内容不代表平台观点或立场。如有关于文章内容、版权或其他问题请与我方联系，我方将在核实情况后对相关内容做删除或保留处理！联系邮箱: yzhao@koushare.com