時(shí)值冬季，各種美輪美奐的冰雕又要出場，西湖大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)展示了一種“冰雕”絕活兒。他們的“冰雕”，小到微米甚至納米級別。
記者12月9日從西湖大學(xué)獲悉，近兩個(gè)月來，西湖大學(xué)納米光子學(xué)與儀器技術(shù)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人仇旻和他的研究團(tuán)隊(duì)在《納米快報(bào)》《納米尺度》《應(yīng)用表面科學(xué)》等國際知名期刊上，連續(xù)發(fā)表了一系列關(guān)于冰刻的研究成果。
在微米甚至納米級別的“冰雕”上，該研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)從精確定位到精準(zhǔn)控制雕刻力度，再到以“冰雕”為模具制作結(jié)構(gòu)、加工器件——一種新型三維微納加工系統(tǒng)雛形初現(xiàn)。
光刻膠之短，“冰膠”之長
要理解他們研發(fā)的冰刻技術(shù)，需要先了解傳統(tǒng)的電子束光刻技術(shù)。
在傳統(tǒng)的電子束光刻技術(shù)中，通常需要將一種叫做光刻膠的材料均勻地涂抹在晶片表面。
電子束作用在光刻膠上，會(huì)改變相應(yīng)位置的光刻膠性質(zhì)。隨后再進(jìn)行洗膠、填金屬、再洗膠等一系列流程。
可以看出，光刻膠是微納加工過程中非常關(guān)鍵的材料，不過，光刻膠也存在一定局限性。
“在樣品上涂抹光刻膠，這是傳統(tǒng)光刻加工的第一步。這個(gè)動(dòng)作有點(diǎn)像攤雞蛋餅，如果鐵板不平整，餅就攤不好。同時(shí)，被抹膠的地方，面積不能太小，否則膠不容易攤開攤勻；材質(zhì)不能過脆，否則容易破裂。”仇旻實(shí)驗(yàn)室助理研究員趙鼎說。
如果把光刻膠換成薄薄的一層冰，會(huì)是什么樣的效果？
“我們把樣品放入真空設(shè)備后，先給樣品降溫再注入水蒸氣，水蒸氣就會(huì)在樣品上凝華成薄薄的冰層?！壁w鼎說，光刻膠之所短恰恰是水之所長。
因?yàn)椋诹阆?40攝氏度左右的真空環(huán)境中，水蒸氣可以包裹任意形狀的表面，哪怕是極小的樣品也沒有問題；水蒸氣的輕若無物，也使在脆弱材料上加工變成可能。
對應(yīng)光刻膠，科研人員給這層水冰起名“冰膠”，給冰膠參與的電子束光刻技術(shù)起名“冰刻”。
趙鼎介紹，一旦將光刻膠換成冰膠，還能夠極大地簡化加工流程。因?yàn)楸z可以通過直接被電子束雕刻、融化或氣化即可去除，所以加工過程中，無需用化學(xué)試劑清洗光刻膠，從而規(guī)避了洗膠帶來的污染，以及難以洗凈的光刻膠殘留導(dǎo)致良品率低等問題。
“冰刻2.0”，硬件初具雛形
據(jù)介紹，仇旻和他的團(tuán)隊(duì)曾在2018年完成了國內(nèi)首臺(tái)“冰刻”系統(tǒng)的研發(fā)。加入西湖大學(xué)后，仇旻帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)繼續(xù)研發(fā)功能更加強(qiáng)大的“冰刻2.0”系統(tǒng)。
在最近的研究中，研究團(tuán)隊(duì)從多個(gè)維度入手，不斷提升冰刻技術(shù)，并取得一系列新進(jìn)展。
一方面，該研究團(tuán)隊(duì)掌握了如何在冰刻中精準(zhǔn)定位。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加工多層式三維立體結(jié)構(gòu)時(shí)，可以先使用低強(qiáng)度的電子束，精確定位后再加大強(qiáng)度，正式開始“鏤空”作業(yè)。另一方面，實(shí)驗(yàn)室成員還找到了控制冰刻力度的方法。實(shí)驗(yàn)顯示，冰膠去除厚度與電子作用強(qiáng)度呈線性關(guān)系。
“‘冰刻1.0’系統(tǒng)的儀器體積較小、功能單一，適用于簡單微納結(jié)構(gòu)的制作……當(dāng)前‘冰刻2.0’的研發(fā)才剛剛開始，但系統(tǒng)的硬件設(shè)施已初具雛形。”趙鼎告訴科技日報(bào)記者，該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“原料進(jìn)，成品出”的一站式微納加工。
從全球范圍來看，冰刻技術(shù)的研發(fā)仍處于起步階段。這樣的技術(shù)，將來有哪些用場？
在仇旻看來，從本質(zhì)上講，“冰刻”仍屬于電子束光刻。但它作為一種綠色且“溫和”的加工手段，尤其適用于非平面襯底或者易損柔性材料，甚至生物材料。
“在電子束光刻這個(gè)框架體系下，冰膠與傳統(tǒng)光刻膠之間更像是互補(bǔ)關(guān)系。傳統(tǒng)光刻膠工藝成熟，特別適合在大面積平整襯底上加工，冰膠則在微小的、不規(guī)則的或者非平面的襯底上加工優(yōu)勢更加突出?！壁w鼎說，目前來看，冰刻技術(shù)的應(yīng)用場景集中在基于光纖、納米線、納米管以及二維材料的新型光電子器件制備。
復(fù)旦大學(xué)物理系主任、超構(gòu)材料與超構(gòu)表面專家周磊教授評價(jià)說，這項(xiàng)工作對于研發(fā)集成度更高、功能性更強(qiáng)的光電器件具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
本報(bào)記者劉園園通訊員馮 怡
