梅永丰团队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

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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。相反，感性运动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，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，无论你如何弯曲一个平面，它总有一个方向的曲率为零。因此，你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，复旦大学材料科学系梅永丰课题组在《自然通讯》（Nature Communications）上发表题为《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”）的文章，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。文中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。进一步，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，成功制备出如图1 (c)和(d)所示的双功能瞬态电子器件。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。图1 (c)显示的是一个可隐藏天线，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”。另一个例子是如图1 (d)所示的双功能MEMS开关。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。
文章信息：ZA Tian#, BR Xu#, GC Wan#, XM Han, ZF Di, Z Chen, YF Mei*. Gaussian-preserved, non-volatile shape morphing in three-dimensional microstructures for dual-functional electronic devices, Nature Communications, 2021, 12: 509.
        文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-20843-4


        文章来源：复旦大学
       梅永丰，复旦大学材料科学系教授、博导。1999年和2002年于南京大学物理学系分别获得学士学位和硕士学位，2005年于香港城市大学物理与材料科学系获得理学博士学位，2005-2007年在德国斯图加特马克思普朗克协会固态研究所担任博士后，2007-2010年在德国德累斯顿莱布尼茨协会固态与材料研究所担任研究员和课题组长，2010年开始担任复旦大学材料科学系教授、博导。先后获得上海市浦江人才（2011年）、教育部新世纪优秀人才（2012年）、上海市曙光学者（2012年）和国家优秀青年科学基金（2013年）。目前研究方向为新型无机纳米薄膜材料研究，近几年将纳米薄膜材料运用到光学微腔，光流体探测，微纳光电效应，微纳机器人学，柔性无机电子学等方面开展工作。在Chem. Soc. Rev.、Phys. Rev. Lett.、Adv. Mater.、Nano Lett.、Small等学术期刊上已发表SCI论文140多篇，他引超过2000次，担任Nanotechnology等国际学术杂志客座编辑以及多个国际学术会议主席。