大規模微納復合結構的制造與應用研究取得新進展

　　微納復合結構是自然界非常重要的功能結構(如荷葉的超疏水、蜘蛛的強吸附等等)，也是超級電容等能量存儲與采集器的核心結構;但如何低成本大規模可重復性地制造微納復合結構是國際公認的難題。

　　針對這一挑戰，北京大學信息科學技術學院張海霞教授課題組開展了大量研究(http://www.ime.pku.edu.cn /Alice)。通過機理探索、理論分析和實驗驗證，得到了一種低成本可重復大面積制備微納復合結構的方法，無需納米掩膜即可直接在微米結構上集成得到均勻的納米結構從而形成三維微納復合結構;結合柔性薄膜材料優異的圖形轉移技術，可得到具有表面功能可調控的多種復合薄膜材料(Langmuir，DOI:10.1021/la4063745，2013;Applied Physics Letters，2012, 033249APL;MEMS2013，p 331-334)。為量化分析和表征復雜的微納復合結構，課題組研發了基于SEM成像原理的三維重建技術，能夠從單張SEM照片重建出立體的納米結構，可直接獲得高度、寬度、密度、表面粗糙度等數據。2013年與國際知名軟件公司Intellisense合作，共同推出了國際上第一款商用三維納米結構重建軟件工具NanoViewer1.0(Transducers2013，p2700-2703)。

　　基于上述制造方法，課題組不僅得到了可控的超疏水和超親水特性、自清潔的特殊表面以及具有靈敏度增強和拉曼增強效果的微流道等，還將這些微納復合結構用在高性能微型能量采集器的研發中。通過在PDMS薄膜表面制備微米納米復合結構，利用三明治和層疊結構提高有效摩擦面積，從而增強電荷密度，研發了輸出功率密度很高的納米摩擦發電機(Nano Letter，DOI: 10.1021/nl3045684，2013;Nano Energy，DOI:10.1016/j.nanoen.2013.04.009，2013)以及國際上第一個透明的單表面摩擦納米發電機，可以直接裝貼于智能手機屏幕上采集使用者日常操作的能量(Energy Environment Science，DOI:10.1039/C3EE42311E，2013)，并有望進一步開發出自供能的觸控面板和電子皮膚等產品。

　　同時，課題組將壓電式與摩擦式發電機理相結合，研發出能夠有效收集環境中振動能的低頻寬頻帶復合發電機，《中國科學：技術科學》2013年第8期以封面的形式報道了相關進展(Vol. 56 (8): 1834-1841)，得到國內外同行的高度關注。

　　以上系列進展為大規模微納復合結構的制造及其在微能源等領域的應用奠定了重要基礎。相關研究工作得到了國家自然科學基金重大研究計劃“納米制造的基礎研究”重點支持項目(項目資助號：91023045)和面上項目(項目資助號：61176103)等資助。