A litografia de nanoimpressão flexível permite a fabricação eficiente de microestruturas biomiméticas

Diodos emissores de luz (LEDs) baseados em nitreto de gálio (GaN) transformaram a indústria de iluminação ao substituir tecnologias de iluminação convencionais com eficiência energética superior, vida útil mais longa e maior sustentabilidade ambiental. Nos últimos anos, considerável atenção tem sido dada à tendência de miniaturização de LEDs, impulsionada por dispositivos de exibição, realidade aumentada, realidade virtual e outras tecnologias emergentes.

Devido à falta de substratos nativos econômicos, a presença de alta densidade de deslocamento de rosca em filmes heteroepitaxiais cultivados em substrato de safira é um fator limitante importante para o desempenho do dispositivo. Além disso, reflexões de Fresnel na interface entre epitaxia e substrato causadas por mudanças abruptas nos índices de refração do material reduzem a utilização de energia luminosa.

Matrizes de nano-mamilos distribuídos nos olhos compostos de animais semelhantes a mariposas têm excelente capacidade antirreflexiva e forte capacidade de absorção de luz, o que fornece grande inspiração para melhorar a utilização da luz. No entanto, o processamento rápido e preciso de microestruturas em superfícies curvas de dispositivos optoeletrônicos é altamente desafiador.

“Os métodos comuns de litografia de projeção são muito sensíveis ao formato do substrato, então a precisão da definição da microestrutura pode ser reduzida quando o substrato tem grandes deformações ou formatos irregulares. Propomos uma técnica flexível de litografia de nanoimpressão que permite processamento de alta qualidade e alto rendimento de microestruturas biônicas em superfícies curvas”, diz o professor Shengjun Zhou.

Os pesquisadores primeiro realizaram o design de matriz de microestrutura biônica e moldes de nanoimpressão flexíveis. A fabricação das microestruturas foi realizada por moldagem por termocompressão, impressão, exposição UV e um processo de gravação em duas etapas especialmente projetado para obter um modelo de microestruturas de sílica semelhantes a olhos compostos (NCSM).

É demonstrado que a nanoimpressão flexível tem adaptabilidade à deformação do substrato, permite definição precisa de microestruturas e fornece boa durabilidade. Comparada à litografia de projeção, a produtividade foi aumentada por um fator de 6,4 e economias de custo econômico de 25% foram alcançadas.

Os pesquisadores investigaram o comportamento de crescimento de cristais de GaN no molde NCSM por experimentos de interrupção de crescimento epitaxial. Eles descobriram que ajustar a morfologia da camada de nucleação pelo molde NCSM ajuda a controlar a orientação de crescimento de GaN e obter filmes epitaxiais com baixa densidade de deslocamento. Além disso, o molde NCSM pode melhorar significativamente a eficiência de extração de luz dos dispositivos devido à modulação de fótons pelas microestruturas biônicas.

O professor Sheng Liu diz: “Graças a essas duas melhorias, a capacidade de saída de luz dos mini-LEDs baseados no modelo NCSM foi bastante aprimorada.”

Ele conclui: “Este estudo é promissor para a fabricação eficiente de microestruturas e melhoria de desempenho de dispositivos optoeletrônicos. No futuro, continuaremos a explorar técnicas de nanoimpressão flexíveis e esperamos que mostrem aplicações mais amplas.”

O artigo foi publicado na revista Boletim Científico.