氧等离子体纳米织构化制备兼具增透与超疏水性能的层级结构表面研究

本研究针对光学与能源领域对兼具抗反射(anti-reflective)与自清洁(self-cleaning)功能表面的迫切需求，通过紫外纳米压印光刻(UV-NIL)结合氧等离子体刻蚀技术，在PMMA薄膜上构建了亚波长蛾眼( moth-eye)纳米结构与高密度纳米级粗糙度的层级结构。研究证实，经500 W微波功率处理的层级结构表面在550 nm波长处透射率达95.6%，静态水接触角提升至149.6°，实现了光学性能与疏水性的协同优化，为多功能表面的大规模制备提供了新思路。

　　

研究背景
自然界生物表面经过亿万年进化形成了精妙的界面功能系统——荷叶的微纳复合结构使其具备超疏水特性，而蛾眼角膜的亚波长乳头阵列则通过有效介质理论(Effective Medium Theory, EMT)实现近乎完美的抗反射性能。这些生物灵感启发了科学家对多功能表面的探索，尤其在光学器件、新能源装备和微流控系统中，同时具备高透光率与自清洁能力的表面需求迫切。然而传统技术路线面临根本性矛盾：微米级纹理虽能增强疏水性但会引发光散射，而疏水涂层又往往降低透光率。更棘手的是，单一尺度结构在压力下易发生润湿状态转变，导致功能失效。

研究机构与方法
韩国国立研究基金会支持的研究团队创新性地采用紫外纳米压印光刻(UV-NIL)与氧等离子体刻蚀的协同策略。首先通过UV-NIL在PMMA薄膜上复制300 nm周期的蛾眼结构，随后通过调控微波功率(100-500 W)的氧等离子体刻蚀引入纳米级粗糙度，构建双尺度层级结构。采用原子力显微镜(AFM)和场发射扫描电镜(FE-SEM)表征形貌演变，通过分光光度计和接触角测量仪评估光学与润湿性能。

研究结果

表面表征和形貌
AFM分析显示随着等离子体功率增加，结构高度(Rz)从309.5 nm降至280 nm，而纳米级粗糙度(Rq)从61.8 nm变为53.9 nm，表明成功构建了保留亚波长骨架同时增加纳米纹理的层级结构。FE-SEM证实镍模具的300 nm间距结构被精确转移到PMMA表面，且等离子体刻蚀后表面呈现更复杂的拓扑特征。

光学和润湿性能
光学测试显示层级结构使550 nm波长透射率达到95.6%，较裸PMMA膜提升3.1%。润湿性能方面，接触角从单尺度结构的127.8°跃升至149.6°，符合Cassie-Baxter模型预测。研究首次揭示等离子体功率与纳米粗糙度的非线性关系——300 W时Rq出现极小值，而500 W时形成最优的密集纳米突起。

结论与意义
该研究通过可扩展的UV-NIL与等离子体刻蚀技术，实现了亚波长光学结构与纳米级润湿调控结构的精准集成。层级结构通过两个物理机制协同作用：1) 亚波长特征作为渐变折射率层抑制反射；2) 纳米纹理增加气隙占比，稳定Cassie-Baxter状态。这种"光学-润湿"双功能设计突破了传统技术的光学损耗瓶颈，为柔性显示器件、光伏组件和生物传感器等应用提供了新范式。研究团队特别指出，该方法与卷对卷(RTR)工艺兼容，有望推动大面积多功能光学膜的产业化进程。

技术延伸
该方法中采用的KrF准分子激光刻蚀(248 nm波长)制备硅母模技术，可实现<20 nm的特征尺寸控制，为后续纳米压印提供了高精度模板。而氧等离子体产生的活性氧物种(ROS)对PMMA的选择性刻蚀，则避免了化学修饰带来的透光率损失问题。这些技术创新为其他聚合物基功能表面的设计提供了普适性方案。