基于高折射率低收缩光刻胶的消色差金属透镜纳米压印量产技术

北京理工大学与中国科学院大学研究团队成功开发出一种基于高折射率、低收缩光刻胶的纳米压印光刻（NIL）新工艺，实现了480–640 nm波段消色差金属透镜的高精度、高效率可扩展制造。

光学金属透镜有望实现成像系统微型化，但色散问题与缺乏可扩展的低成本制造工艺曾制约其应用。传统电子束光刻分辨率高但吞吐量低，深紫外光刻设备昂贵且工艺复杂。纳米压印光刻是可行替代方案，但现有压印光刻胶固化后收缩率常高达约20%，严重影响结构保真度与光学性能。

在材料方面，研究团队研制出高折射率、低收缩率的光刻胶。该混合光刻胶以丙烯酸酯聚合物为基体，掺入二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒以提升折射率，并添加硅烷及甲基丙烯酰化硅烷作为收缩抑制剂。抑制剂增强了无机相与聚合物基体的界面结合力，优化了交联网络结构，有效限制固化过程中的横向与纵向收缩，将收缩率控制在≤5.19%以内。光学表征表明，该光刻胶在480–640 nm波段折射率达1.92–1.97，透射率＞99%，且TiO₂纳米颗粒均匀分散（平均粒径约26 nm），远小于Zui小特征尺寸，确保压印时完全填充。

在工艺方面，团队采用新型紫外（UV）固化树脂制作工作印章，替代传统需数小时热固化的聚二甲基硅氧烷（PDMS）印章。该树脂在300 W紫外灯下仅需3分钟即可完全固化，配合自动化压印设备，整个工作印章制备耗时仅10分钟。随后将该印章用于旋涂光刻胶的玻璃基底上，压印、曝光与脱模步骤可在另外5分钟内完成。从印章制备到Zui终金属透镜成型的完整流程仅需15分钟，且印章可重复使用，为低成本大规模生产奠定基础。

在性能验证方面，团队通过扫描电子显微镜（SEM）与聚焦离子束扫描电镜（FIB-SEM）系统测量了母版、工作印章及Zui终压印样品的纳米柱尺寸。统计结果显示，宽度、长度和高度的平均收缩率分别为2.23%、1.87%和3.47%，Zui大收缩率未超过5.19%，证实了近乎完美的结构复制精度。得益于高精度制造，所制备的金属透镜在480–640 nm范围内不同波长下的焦距保持高度一致，Zui大偏差＜2%，焦斑尺寸接近衍射极限。引入实测尺寸偏差修正后的仿真结果与实验数据吻合良好，表明该高折射率纳米压印材料与金属透镜制备策略能够满足消色差金属透镜对亚原子结构的高精度制造要求。

研究团队表示，该工作为消色差金属透镜的高精度、高效率及规模化生产提供了切实可行的路径。所开发的新型光刻胶与快速固化印章材料在紧凑型成像系统、增强现实（AR）显示及集成光子学领域具有显著的应用潜力。