原文来源：Nicolas Posunko，斯科尔科沃科学技术研究院，原文编辑：Swati Mestri，审校：Robert Egan；电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 丁梦娜 编译

研究团队制备出带有精细几何图案的单壁碳纳米管薄膜，特征尺寸低至 100 微米。图中右上角为螺旋结构，可用于光学器件；右下角为带引线的 W 型器件，用作机械应变传感器。图片来源：Nikita Raginov 等 / Light: Advanced Manufacturing

    斯科尔科沃科学技术学院（Skoltech）的研究人员联合中国哈尔滨工业大学、俄罗斯 ITMO 大学的同行，开发出一种可在不浪费材料的前提下制备复杂碳纳米管几何图案的工艺。这类图案可用于先进光学器件，以及用于结构完整性监测的机械应变传感器。

    这项新技术能够降低碳纳米管图案化加工成本、提升制备速度与材料利用效率，降低将这种高性能材料集成到光电器件中的技术门槛。该研究成果发表于《Light: Advanced Manufacturing》。

    论文作者之一、Skoltech 光子学研究中心副教授 Dmitry Krasnikov 介绍道：“单壁碳纳米管薄膜具备优异性能，可应用于光学与电子器件。而器件制造的难点在于，需要把碳纳米管薄膜加工成具备导电功能的纳米图案。传统方案是先沉积一整片连续薄膜，再通过刻蚀去除不需要区域的多余材料。”

    “但这种方式材料损耗极大，碳纳米管损失比例最高可达 90%，而碳纳米管本身造价高昂。此外，刻蚀工艺还会劣化剩余碳纳米管的品质。为此，我们提出了更优的解决方案。”

    以压合封孔替代刻蚀

    研究团队展示了一种单步沉积碳纳米管图案的方法，全程无材料浪费，也无需额外添加反应试剂。新技术采用常规压合工具与硝酸纤维素滤膜 —— 该滤膜是分子生物学实验里常用的滤材。

    沉积碳纳米管之前，研究人员利用经激光切割并加热的金属镂空模板对滤膜进行压合；模板图案与目标图案呈互补结构。在约 200 兆帕压力作用下，模板将滤膜孔隙压合封闭，阻止碳纳米管在封孔区域沉积。

    经过上述处理，滤膜成为坚固耐用、可重复使用的镂空模板，用作气溶胶化学气相沉积的承接基底，而气溶胶化学气相沉积正是制备单壁碳纳米管薄膜的标准工艺。携带碳纳米管的气溶胶流经滤膜时，只有未封孔区域透气，气流由此穿过，碳纳米管随之被截留收集，之后便可转移至其他基底。

    关键优势在于：该过程不会向滤膜引入有机溶剂等外来物质，无需后续处理，既避免污染、维持碳纳米管本身品质，也便于后续转移图案化薄膜。

    “这项方法的核心灵感来自气溶胶科学：单壁碳纳米管质量极轻，惯性几乎可以忽略，载气流向何处，碳纳米管就随之去往何处。我们把这一原理和结构化处理后的滤膜结合起来 —— 只需封闭不需要的孔隙，依靠气流本身就能‘绘制’图案，让碳纳米管仅沉积在目标位置，其余区域不会附着材料。整个流程无需刻蚀去除任何材料，不引入溶剂或杂质，镂空模板还可以多次重复使用。”

    论文共同作者、Skoltech 光子学研究中心主任、俄罗斯科学院（RAS）Albert Nasibulin 教授表示：“事实上，我们把气溶胶的基础物理特性转化成了精密制造手段。正因如此，该工艺兼具快速、洁净、可规模化的特点，有望推动碳纳米管从实验室走向光学与电子器件的实际应用。”

    摆脱铜层模板方案的局限

    该技术早期版本中，团队是在硝酸纤维素滤膜选定区域溅射铜层，以此阻挡碳纳米管沉积。但该方式对可制备的图案几何形态存在限制：图案必须连续，无法制作孤立或连接薄弱的结构。同时，部分铜会残留在碳纳米管上，造成器件性能衰减。这套热压工艺不再使用铜材料，一并解决了上述两大缺陷。

    研究团队借助光学显微镜、扫描电子显微镜与电学测试表征所制备图案的质量。测试结果证实，碳纳米管薄膜的线条与间隙和镂空模板几何轮廓高度匹配；预设空白区域几乎没有碳纳米管沉积。

    团队还验证了压合滤膜的规模化制备潜力与重复使用性能。研究制备了更大尺寸的镂空模板；多次复用测试显示，不同批次制备薄膜的光学性能波动仅为百分之几。

    两类器件验证广泛适用性

    论文第一作者、Skoltech 科研实习生 Nikita Raginov 强调：“这种新工艺具备良好的可规模化能力，为光学、电子和传感领域开辟了广阔应用前景。” 为展示该方法的多功能性，研究团队制备了两类器件，分别发挥图案化薄膜的电学与光学特性。

    第一种是机械应变传感器。器件采用环氧树脂基底上的 W 形碳纳米管图案，对其施加单轴拉伸载荷。器件被拉伸时，电导率发生改变，以此感知应变。值得一提的是，该传感器电导率变化幅度至少达到传统工艺制备的同类单壁碳纳米管应变传感器的三倍。

    经过 3000 次加载 — 卸载循环测试，器件仍保持稳定可靠的应力响应。碳纳米管网络本身具备柔性，有望应用于可穿戴电子、软体机器人以及结构健康监测，例如嵌入飞机机翼、桥墩内部的传感单元。

    第二种器件是用于调控太赫兹波的可调透镜。太赫兹波是介于红外与微波之间的电磁辐射频段。研究人员将螺旋形碳纳米管图案转移至薄弹性体薄膜上，制成可拉伸透镜。

    该衍射光学元件具备清晰聚焦效果；无需更换辐射源或探测器，仅通过拉伸就能够可逆调节焦距。透镜可将信息编码至太赫兹波，用于无线通信或者光纤数据传输。

    除太赫兹光学与高性能应变传感外，团队还展望了更多应用场景：透明导电膜、生物电极、热电模块与加热栅格。

    本研究中，图案化碳纳米管结构的仿真建模由 ITMO 大学与哈尔滨工业大学完成，样品制备在 Skoltech 开展，测试工作在莫斯科物理技术学院以及俄罗斯科学院普罗霍罗夫普通物理研究所完成。

    更多信息
    Nikita I. Raginov et al, High-resolution patterning of reusable membranes for spatially predesigned single-walled carbon nanotube films for advanced optical and sensing applications, Light: Advanced Manufacturing (2026). DOI: 10.37188/lam.2026.088