1 广西大学省部共建特色金属材料与组合结构全寿命安全国家重点实验室，广西 南宁 530004
2 广西大学机械工程学院激光智能制造与精密加工研究所，广西 南宁 530004
增材制造（AM）的零件若存在悬垂部件，则往往需要添加额外的支撑结构，这不仅会影响打印效率，而且拆除支撑也会引发新的问题。结构自支撑设计能使增材制造摆脱对支撑结构的依赖，现已成为国内外的研究热点。本文首先总结了增材制造结构自支撑设计的原理，接着综述了增材制造零件整体结构自支撑设计的研究进展以及增材制造填充结构自支撑设计的研究进展。其中，根据不同的结构优化方式，将增材制造零件整体结构自支撑设计进一步划分为基于连续体结构拓扑优化、离散结构拓扑优化和形状优化的结构自支撑设计，并分析了各类优化方法的优缺点。最后，讨论了提升计算效率以及提升结构性能的解决方案，并对未来的应用场景以及未来的研究重点进行了展望。
增材制造 结构优化 拓扑优化 填充结构 结构自支撑 中国激光
2024, 51(10): 1002307
太原理工大学 纳米能源与器件研究中心, 山西 太原 030024
采用简单的一步水热法合成了自支撑的氧化锌纳米棒(ZnO NRs)@还原氧化石墨烯(rGO)复合材料, 通过旋涂法制备ZnO@rGO/聚偏二氟乙烯(PVDF)柔性复合薄膜压电纳米发电机。研究结果表明, ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜压电纳米发电机的输出性能随ZnO@rGO掺杂质量先增大后减小, 当ZnO@rGO的质量分数为3.0%时, 输出电压可达9.06 V, 输出电流可达0.74 μA, 与仅掺杂3.0%ZnO NRs的ZnO/PVDF纳米发电机相比, 其输出电压和电流分别提高了120%和124%。当负载电阻为10 MΩ时, ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜压电纳米发电机输出功率最大为5.79 μW。经过4 000次循环测试表明, 该文所制备ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜压电纳米发电机的输出性能稳定。该纳米发电机可以监测人体行走和跑步姿势, 记录运动次数。有望作为自供电压力传感器件植入可穿戴电子设备中。
聚偏二氟乙烯(PVDF) 自支撑结构 柔性复合薄膜 压电纳米发电机 polyvinylidene difluoride (PVDF) self-supported structure flexible composite film piezoelectric nanogenerator
1 南京邮电大学 电子与光学工程学院，江苏 南京 210023
2 南京邮电大学 集成电路科学与工程学院，江苏 南京 210023
3 南京邮电大学 射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室，江苏 南京 210023
一维手性软光子晶体胆甾相液晶（CLC）在防伪标签、纳米激光器和传感等领域具有广泛的应用。本文采用多步图案化紫外固化方法并结合清洗-重填工艺，实现了多色的柔性自支撑CLC薄膜反射器件。采用标签打印机打印PET图案作为掩膜版，对可聚合的CLC材料进行紫外固化，得到图案化的柔性自支撑CLC薄膜反射器件。在此基础上，将非固化区域的液晶材料洗去并重新填充不同手性剂含量的CLC，再次图案化紫外曝光，即可实现多色的柔性自支撑CLC薄膜反射器件。研究了不同入射角、弯曲曲率半径和温度对反射器件光学性能的影响。实验结果表明，采用上述方法制备的多色可自支撑反射器件具有良好的柔性，不同曲率半径下的布拉格反射中心波长基本不变。随着温度升高，布拉格反射中心波长红移，且具有良好的线性度。多色的可自支撑柔性薄膜反射器件可拓展CLC在显示、传感、激光防护和微纳光学等领域的进一步应用。
胆甾相液晶 布拉格反射 多色自支撑柔性薄膜 光学器件 cholesteric liquid crystal bragg reflection free standing flexible film optical devices
1 上海大学微电子学院，上海 200072
2 中国科学院上海光学精密机械研究所薄膜光学实验室，上海 201800
3 中国科学院上海光学精密机械研究所强激光材料重点实验室，上海 201800
自支撑薄膜滤片是极紫外波段重要的透射式光学元件。为获得13.5 nm极紫外高透射率滤片，本文选用硅（Si）作为膜层材料，通过脉冲直流磁控溅射在可溶性衬底沉积厚度为50 nm的Si单层膜，并成功制备了自支撑Si薄膜滤片样品。利用X射线反射、扫描电镜、同步辐射装置等测试手段分别对样品膜厚、形貌以及光学性能进行了表征，结果表明，50 nm厚的Si滤片在13.5 nm处透射率达到86.02%。进一步通过检测样品组分，结合IMD软件计算并分析了滤片氧化程度，解释了其在12.5~20 nm波段理论透射率与测量值之间存在差异的原因。该研究成果将极大地拓宽此类高透射率Si滤片在极紫外光学工程领域的应用前景。
极紫外波段 高透射率 自支撑滤片 硅 薄膜 氧化 光学学报
2023, 43(19): 1936001
1 长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室，长春 130022
2 中国科学院高能物理研究所 粒子天体物理中心，北京 100049
3 北京化工大学 数理学院，北京 100029
分别以AZ50XT和聚乙烯醇为脱膜剂，在本底真空度为5.0×10-4 Pa的磁控溅射镀膜机中沉积Al膜，制备出厚度为80 nm的自支撑Al滤光片，并对滤光片进行表面缺陷分析。通过扫描电镜和CMOS相机观察得到，制备的Al滤光片表面均匀性较好，有少量针孔。对滤光片的光学性能进行了表征。用紫外可见分光光度计测得滤光片在可见光及红外光波段的透过率低于0.02%，基本满足使用要求。用软X射线透过率测试系统测得滤光片在1.6~10 keV能段的透过率高于90%，透过率曲线与理论结果基本一致，满足应用要求。用同步辐射装置测得两种滤光片在50~250 eV能段的最高透过率分别为53%和35%，受Al膜表面氧化和脱膜剂残留的影响，实际测得的透过率比理论计算值偏低。
薄膜 自支撑 脱膜剂 软X射线 极紫外 透过率 Thin films Self-supporting Release agent Soft X-ray Extreme ultraviolet Transmittance
1 苏州大学光电科学与工程学院, 苏州纳米科技协同创新中心, 苏州 215006
2 江苏省先进光学制造技术重点实验室和教育部现代光学技术重点实验室, 苏州 215006
3 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所, 苏州 215123
GaN膜在传统生长过程中主要通过异质外延获得, 这往往会产生晶格失配和热失配, 给GaN带来严重的位错和应力。目前降低位错最广泛的方法是使用侧向外延技术。在这项工作中, 首先在蓝宝石基GaN衬底上沉积了一层SiO2, 并用光刻的方法将其制备成高掩膜宽度(窗口宽度20 μm/掩膜宽度280 μm)的宽周期掩膜, 再通过氢化物气相外延(HVPE)侧向外延了厚度为325 μm的GaN厚膜, 通过胶带可以将其进行剥离形成自支撑衬底。同时通过二维的Wulff结构图研究了GaN生长过程中晶面的变化趋势。宽周期掩膜法对于生长可剥离的低位错密度自支撑GaN有着重大意义。
自支撑GaN 侧向外延 氢化物气相外延 宽周期掩膜法 半导体 free-standing GaN epitaxial laterally overgrown HVPE wide-period mask method semiconductor
1 重庆中科精微科技有限公司，重庆 401329
2 中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆 400715
3 中国科学院大学重庆学院，重庆 400715
自支撑氮化硅膜结构一般是基于微纳加工技术来制备的。为了提高膜结构的品质，本文分别对自支撑氮化硅膜结构制备中的干法刻蚀参数和各向异性湿法腐蚀参数进行了研究和优化，其中干法刻蚀参数主要包括反应气体配比和刻蚀时间，各向异性湿法腐蚀参数主要包括腐蚀剂浓度和腐蚀温度。在不同的参数组合下进行实验，使用光学显微镜观察并比较不同样品的表面形貌，得到了较理想的参数组合。在干法刻蚀的反应气体中加入少量O2可改善刻蚀效果，反应气体配比V(SF6)∶V(CHF3)∶V(O2)=6∶37∶3，刻蚀时间2 min。湿法腐蚀中腐蚀剂在质量分数25%处达到最大的硅腐蚀速率，同时氮化硅表面形貌也较理想。
氮化硅 干法刻蚀 各向异性湿法腐蚀 单晶硅 自支撑膜结构 silicon nitride dry etching anisotropic wet etching single-crystal silicon self-supporting film structure
上海大学材料科学与工程学院,省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室,上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室,上海 200444
采用物理气相传输(PVT)法在AlN原料表面自发生长出大量毫米级尺寸的AlN单晶。本文对该工艺下AlN单晶的自然形貌、极性、杂质含量等进行了分析。实验及分析结果表明,在实验工艺条件下,原料表面生长的AlN晶粒具有规则的六方外形,晶粒沿C向择优生长且具有高的生长速率(约200~250 μm/h),但径向生长受限于{10-10}(m面)。不同颜色的AlN晶粒经机械切割及化学机械抛光(CMP)后,形成高表面质量的C轴取向抛光片。通过化学湿法腐蚀和SEM表征发现,淡黄色晶粒为Al极性晶体,暗棕色晶粒为N极性晶体,淡黄-暗棕混合色晶粒为Al/N混合极性晶体,其内部可以观察到清晰的两种极性分界。通过GDMS与EGA对不同颜色晶粒内部的主要杂质元素含量进行了分析,结果表明,淡黄色晶粒内氧元素的含量相比暗棕色晶粒的含量低,而碳含量则相反。
氮化铝 物理气相传输法 自支撑 生长极性 杂质元素 AlN physical vapor transport method freestanding growth polarity impurity
1 南京航空航天大学 材料科学与技术学院 江苏省能量转换材料与技术重点实验室, 南京 210016
2 常州大学 江苏省光伏科学与工程协同创新中心, 江苏 常州 213164
为了研究CdS纳米颗粒填充的自支撑多孔硅的光致发光特性, 选用电阻率为0.01~0.02Ω·cm的P型硅片, 先采用二步阳极氧化法制备自支撑多孔硅, 再利用电泳法将CdS纳米颗粒填充入该自支撑多孔硅中.采用扫描电子显微镜、X射线能谱分析、X射线衍射分析、光致发光谱分析对所制备样品的形貌、相结构、组份及发光性能进行研究.实验结果表明：自支撑多孔硅内部成功填充了CdS纳米颗粒, 该CdS纳米颗粒衍射峰为(210); CdS纳米颗粒填充的自支撑多孔硅光致发光峰峰位发生红移, 且从570 nm转移到740 nm; 电泳时间直接影响CdS纳米颗粒的填充量, 导致相关的发光峰强度及发光峰位明显不同.
纳米颗粒 阳极氧化法 电泳法 自支撑多孔硅 光致发光 CdS CdS Nanoparticles Anode oxidation method Electrophoresis method Freestanding porous silicon Photoluminence
中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
为了获得大面积自支撑的高效率X射线光电转换材料,通过化学气相沉积和热蒸发镀膜工艺,制备出了大面积自支撑的CsI/PC膜,其中PC(聚碳酸酯)膜厚度为300 nm,CsI膜厚度在100 nm到1 μm.通过扫描电镜、X射线衍射仪研究了镀膜速度和受潮对样品表面形貌结构的影响.利用MANSON光源的X射线对不同沉积速率和受潮程度的样品的X射线转换效率进行了研究.在北京同步辐射装置标定了样品X射线光电转换效率,其响应灵敏度峰值大于3000 μA/W;将样品作为X射线光电阴极应用在X射线条纹相机上,在神光Ⅲ主机平台上获得了清晰的X射线图像.
自支撑薄膜 光电转换 X射线 谱响应灵敏度 self-supported membrane CsI CsI photoelectric conversion X-ray energy spectral response 强激光与粒子束
2015, 27(8): 082006
