時值冬季，各種美輪美奐的冰雕又要出場，西湖大學科研團隊展示了一種“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日從西湖大學獲悉，近兩個月來，西湖大學納米光子學與儀器技術(shù)實驗室負責人仇旻和他的研究團隊在《納米快報》《納米尺度》《應(yīng)用表面科學》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，該研究團隊已經(jīng)可以實現(xiàn)從精確定位到精準控制雕刻力度，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，會改變相應(yīng)位置的光刻膠性質(zhì)。隨后再進行洗膠、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。這個動作有點像攤雞蛋餅，如果鐵板不平整，餅就攤不好。同時，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。”仇旻實驗室助理研究員趙鼎說。

如果把光刻膠換成薄薄的一層冰，會是什么樣的效果?

“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，水蒸氣就會在樣品上凝華成薄薄的冰層。”趙鼎說，光刻膠之所短恰恰是水之所長。

因為，在零下140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。因為冰膠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，仇旻和他的團隊曾在2018年完成了國內(nèi)首臺“冰刻”系統(tǒng)的研發(fā)。加入西湖大學后，仇旻帶領(lǐng)科研團隊繼續(xù)研發(fā)功能更加強大的“冰刻2.0”系統(tǒng)。

在最近的研究中，研究團隊從多個維度入手，不斷提升冰刻技術(shù)，并取得一系列新進展。

一方面，該研究團隊掌握了如何在冰刻中精準定位。他們發(fā)現(xiàn)，當加工多層式三維立體結(jié)構(gòu)時，可以先使用低強度的電子束，精確定位后再加大強度，正式開始“鏤空”作業(yè)。另一方面，實驗室成員還找到了控制冰刻力度的方法。實驗顯示，冰膠去除厚度與電子作用強度呈線性關(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。”趙鼎告訴科技日報記者，該團隊的目標是實現(xiàn)“原料進，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。

“在電子束光刻這個框架體系下，冰膠與傳統(tǒng)光刻膠之間更像是互補關(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。”趙鼎說，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)旦大學物理系主任、超構(gòu)材料與超構(gòu)表面專家周磊教授評價說，這項工作對于研發(fā)集成度更高、功能性更強的光電器件具有重要的現(xiàn)實意義。(記者 劉園園 馮怡)

關(guān)鍵詞： 西湖大學