近日，上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）微米纳米加工技术全国重点实验室臧法珩副教授团队在柔性力学发光与可视化传感领域取得新进展。团队通过在机械致发光（Mechanoluminescence, ML）薄膜上构建微米-纳米多尺度层级结构，实现了在单片柔性薄膜上对受力信息的像素化、高分辨显示，相关成果以 “Visually encoded mechanoluminescence through hierarchical structuring with microscale patterns and nanoscale features” （基于微纳层级化结构的视觉编码机械发光）为题，发表在期刊《Nature Communications》上。

研究背景

机械致发光：从“会亮”到“看得清”：机械致发光（Mechanoluminescence, ML）是在无外部光源条件下由按压、拉伸、弯折等机械作用直接触发发光的过程，具有无源、结构简单等优势，被广泛看好用于防伪、动态显示、应力监测和柔性人机界面等应用。但传统ML薄膜普遍存在两大难题：发光效率偏低，在自然光和低应力下不够亮；发光区域模糊，难以清晰区分受力位置和强度，更谈不上“像素级”成像。以上瓶颈使得ML器件距离真正的“视觉力传感器”仍有明显差距。

创新成果

本项工作创新性地提出了一个研究思路：在保持发光材料体系不变的前提下，通过几何结构与层级设计来系统重构“力-光”转换链路。团队将问题拆解为两个“通道”：

力学通道：如何通过结构设计，让薄膜内部的应力更加集中、分布更可控，从而高效“点亮”目标区域的ML中心。

光学通道：如何减少界面反射和内部“困光”，提高光子从薄膜内部“逃逸”出来的概率，提升可见亮度和图像对比度。

解决这两个通道，就有望在一张连续薄膜上实现清晰、可编程、可设计的力学发光图案。

图1 使用多尺度结构的大熊猫图案分层编码模式

本项工作在同一 ZnS:Cu–PDMS 薄膜中同时优化应力传递和光子外耦合。研究团队在膜中构筑了两个微纳米层级结构：

微米级凸柱/凹孔阵列（约40–100µm）：通过几何边界和周长/面积比调控，将应力有选择地集中或重分布到目标区域。

纳米级蜂窝状表面纹理（微米级直径、百纳米级线宽与间距）：通过多尺度散射抑制全内反射和损耗，显著提升光子“逃出”薄膜的效率。

两级结构协同作用，在不改变ML材料配方的前提下，将“在哪儿受力”和“哪里更亮”紧密耦合起来。

图2 通过分层多尺度结构增强机械发光薄膜发光的机制

一张薄膜，一块“力学屏”：在上述层级结构加持下，ML薄膜在绿光波段（约 521nm）发光强度相较平面薄膜提升超300%，图像对比度和边界清晰度显著增强。通过合理排布不同微结构单元，团队在一张连续薄膜上“写入”了熊猫等图案信息：在应变作用下，预编码的熊猫图案被清晰点亮；有效空间分辨率约637 PPI，大幅提升；全程无需外加光源或电源，也无需逐像素电极布线，信息完全由结构决定。这证明，一张ML薄膜可以像一块“受力自发光的像素屏”，以预设计的方式显示力学信息。

图3 可编程视觉信息检索和存储

通过将应力场工程与光子管理相结合，该平台支持实时动态应力可视化、被动式薄膜应力传感。此技术使用了光刻、压印等工业级图形化技术，因此此项薄膜应力监测方法可扩展到更大的监测区域、生成更丰富的预编码图案库，并通过力致发光材料选择或分层实现多种色彩呈现。该项技术成功将柔性薄膜和柔性结构的内部力学场转化为像素级光学信息，并提供了一种较为通用的结构-光学协同设计方案。

论文信息

马晓乐（左）、臧法珩（右）

该研究工作的第一作者为上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）博士生马晓乐，上海交通大学溥渊未来技术学院宿智娟助理研究员与上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）、微米纳米加工技术全国重点实验室臧法珩副教授，为论文共同通讯作者。该工作受到国家自然科学基金委面上基金、科技部重点研发、上海交通大学深蓝基金等科研项目的资助，得到上海交通大学先进电子材料与器件平台（AEMD）和上海交通大学分析测试中心的加工测试支持。

臧法珩副教授为集成电路学院MEMS多元兼容集成制造技术团队核心成员。课题组长期从事MEMS集成微系统、纳米光学器件、微纳生化传感器的设计、制造与应用研究，并在近年内形成了关键尺寸涵盖亚十纳米至百微米级的功能器件微纳跨尺度集成制造能力。

论文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/10Uid5xw8fv5IXo9-oEbwA