荷蘭台夫特科技大學(Delft University of Technology;TU Delft)微電子系研究人員利用垂直生長的輻射狀碳奈米管(CNT),將二元菲涅耳(Fresnel)透鏡概念擴展到可拉伸的聚合物薄膜上。

為垂直於光學平面生長的碳奈米管進行整合,可確保得到很高的光吸收率——在可見光譜段的透光率只有0.06%,而在聚二甲基矽氧烷(PDMS)薄膜的透光率達93.9%,這與空間調變穿過二元菲涅耳透鏡衍射圖案的光強度分佈形成了鮮明的對比。

碳奈米管以同心環的形式生長,其高度僅10μm,然後再以PDMS過濾至能以可拉伸薄膜剝離。如此可做成厚度只有幾十微米的衍射光學元件。

在研究人員發表的《用可拉伸二元菲涅耳透鏡調焦》(Stretchable Binary Fresnel Lens for Focus Tuning)論文中,描述了以放射狀拉伸透鏡幾個百分點後,使用6×6mm2、焦距可調範圍從7mm到約9mm的透鏡所取得的結果。雖然研究人員用來拉伸透鏡的夾具系統造成了一點失真,但整合的圓形致動器完全可以解決這個問題,並提供均勻一致的放射狀形變。

該論文的主要作者李學明特別強調,雖然文中只提到了7mm的焦距,但研究人員也致力於研究其它的焦距。

李學明指出,「在使用相同的概念和製程技術下,我們製造出焦距範圍從100um到20mm的透鏡,足以滿足特殊應用的需求。舉例來說,從5um到8.5mm的焦距可以用在顯微鏡中研究螢光訊號;而焦距範圍從2mm到20mm的透鏡陣列則可用於複眼應用和照護點(PoC)裝置。」

他補充說,「由於它是一種可加以控制的可變焦距,使得這種配置也適用於多焦隱形眼鏡的應用。」

20160607 CNT NT31P1 圖1:當以放射狀從(a)到(b)拉伸軟性基板s距離時,第nth區的半徑從rn增加到r'n,焦距從f變到f′的變化倍數是s2

針對另一競爭研究採用將自適應性較低的剛性材料(如黑矽)用於不透明材料,以取代CNT的作法,李學明表示:「使用CNT的優勢首先是分層的多孔滲透特性,可讓PDMS更有效地滲透至CNT。這對於拉伸透鏡時的輻射狀控制來說非常重要。其次,CNT的製造比黑矽更好控制,因而使其成為大規模元件製造時更加可靠的一種製程。在我們的透鏡(陣列)製造製程中,最關鍵的部份是圖案化CNT的生長非常快速可靠。另外,由於使用了商用化的CVD系統,以及目前開發的晶圓規模製程,更有助於透過擴大面積實現這些元件的大量製造。」

李學明發現,這些平面光學元件正逐漸發展進入微型化的光子晶片、整合光路、光學互連、波束聚焦或無光罩的微影系統中,同時還能用於光學感測器系統中的偏轉和校準任務,以及光學資料傳輸。

「我們元件的成本低,並具有可擴展的製造能力,也為拋棄式顯微鏡提供了很好的解決方案,這對發展中國家的健康診斷來說極具價值。」

20160607 CNT NT31P2 圖2:主要的製造步驟:(1)將Ti/TiN (10nm/50nm)濺射到矽晶圓上,防止催化劑擴散至基板中;(2)塗覆1.4μm厚的光阻劑,(3)在晶圓上刻畫圖案;(4)讓鐵(5nm)蒸發作為催化劑;接著(5)透過剝離過程確定CNT生長區域;(6)透過CVD生長出垂直對齊的CNT束(高度10μm),(7)利用定義好的CNT圖案將PDMS傾倒在水平矽晶圓基板上。在排過氣後,從矽基板上剝離PDMS層和密封的CNT,形成最終的元件

20160607 CNT NT31P3 圖3:(a)包含2×2透鏡單元的製造元件,每單元尺寸為6×6mm2。(b)單個透鏡的光學顯微鏡影像,(c)單個透鏡單元的SEM影像,焦距是7mm,最裡面的區域直徑在PDMS滲透之前是133μm。(e)顯示在PDMS內部經PDMS過濾形成CNT/PDMS複合材料之前完美對齊的CNT

(參考原文:Stretchable Polymer Optics Embed Carbon Nanotubes for Better Focus,by Julien Happich)