作者:刘园园 冯怡 来源:科技日报 发布时间:2020/12/10 9:52:49
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在纳米尺度做冰雕,西湖大学“冰刻2.0”首秀

 

时值冬季,各种美轮美奂的冰雕又要出场,西湖大学科研团队展示了一种“冰雕”绝活儿。他们的“冰雕”,小到微米甚至纳米级别。

记者12月9日从西湖大学获悉,近两个月来,西湖大学纳米光子学与仪器技术实验室负责人仇旻和他的研究团队在《纳米快报》《纳米尺度》《应用表面科学》等国际知名期刊上,连续发表了一系列关于冰刻的研究成果。

在微米甚至纳米级别的“冰雕”上,该研究团队已经可以实现从精确定位到精准控制雕刻力度,再到以“冰雕”为模具制作结构、加工器件——一种新型三维微纳加工系统雏形初现。

光刻胶之短,“冰胶”之长

要理解他们研发的冰刻技术,需要先了解传统的电子束光刻技术。

在传统的电子束光刻技术中,通常需要将一种叫做光刻胶的材料均匀地涂抹在晶片表面。

电子束作用在光刻胶上,会改变相应位置的光刻胶性质。随后再进行洗胶、填金属、再洗胶等一系列流程。

可以看出,光刻胶是微纳加工过程中非常关键的材料,不过,光刻胶也存在一定局限性。

“在样品上涂抹光刻胶,这是传统光刻加工的第一步。这个动作有点像摊鸡蛋饼,如果铁板不平整,饼就摊不好。同时,被抹胶的地方,面积不能太小,否则胶不容易摊开摊匀;材质不能过脆,否则容易破裂。”仇旻实验室助理研究员赵鼎说。

如果把光刻胶换成薄薄的一层冰,会是什么样的效果?

“我们把样品放入真空设备后,先给样品降温再注入水蒸气,水蒸气就会在样品上凝华成薄薄的冰层。”赵鼎说,光刻胶之所短恰恰是水之所长。

因为,在零下140摄氏度左右的真空环境中,水蒸气可以包裹任意形状的表面,哪怕是极小的样品也没有问题;水蒸气的轻若无物,也使在脆弱材料上加工变成可能。

对应光刻胶,科研人员给这层水冰起名“冰胶”,给冰胶参与的电子束光刻技术起名“冰刻”。

赵鼎介绍,一旦将光刻胶换成冰胶,还能够极大地简化加工流程。因为冰胶可以通过直接被电子束雕刻、融化或气化即可去除,所以加工过程中,无需用化学试剂清洗光刻胶,从而规避了洗胶带来的污染,以及难以洗净的光刻胶残留导致良品率低等问题。

“冰刻2.0”,硬件初具雏形

据介绍,仇旻和他的团队曾在2018年完成了国内首台“冰刻”系统的研发。加入西湖大学后,仇旻带领科研团队继续研发功能更加强大的“冰刻2.0”系统。

在最近的研究中,研究团队从多个维度入手,不断提升冰刻技术,并取得一系列新进展。

一方面,该研究团队掌握了如何在冰刻中精准定位。他们发现,当加工多层式三维立体结构时,可以先使用低强度的电子束,精确定位后再加大强度,正式开始“镂空”作业。另一方面,实验室成员还找到了控制冰刻力度的方法。实验显示,冰胶去除厚度与电子作用强度呈线性关系。

“‘冰刻1.0’系统的仪器体积较小、功能单一,适用于简单微纳结构的制作……当前‘冰刻2.0’的研发才刚刚开始,但系统的硬件设施已初具雏形。”赵鼎告诉科技日报记者,该团队的目标是实现“原料进,成品出”的一站式微纳加工。

从全球范围来看,冰刻技术的研发仍处于起步阶段。这样的技术,将来有哪些用场?

在仇旻看来,从本质上讲,“冰刻”仍属于电子束光刻。但它作为一种绿色且“温和”的加工手段,尤其适用于非平面衬底或者易损柔性材料,甚至生物材料。

“在电子束光刻这个框架体系下,冰胶与传统光刻胶之间更像是互补关系。传统光刻胶工艺成熟,特别适合在大面积平整衬底上加工,冰胶则在微小的、不规则的或者非平面的衬底上加工优势更加突出。”赵鼎说,目前来看,冰刻技术的应用场景集中在基于光纤、纳米线、纳米管以及二维材料的新型光电子器件制备。

复旦大学物理系主任、超构材料与超构表面专家周磊教授评价说,这项工作对于研发集成度更高、功能性更强的光电器件具有重要的现实意义。

 
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