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浙大专家做出纳米级“冰雕” 可用于新型电子器件

发布时间: 2018-07-23 19:30:32 来源: 浙江在线 记者 曾福泉 通讯员 涵冰

  浙江在线记者7月23日讯(浙江在线记者 曾福泉 通讯员 涵冰)在头发丝千分之一粗细的纳米银线上,浙大科学家制造出一系列精细的三维“微雕”,造型包括金字塔、蘑菇、桥等。更新奇的是他们在雕刻时所应用的全新工艺:“冰刻”。

  在彗星上,零下130度附近的真空中,水蒸气会凝华成一层超级光滑的薄冰。浙大现代光学仪器国家重点实验室仇旻教授团队正是利用这种特殊的冰,代替了现在微纳加工中最常见的材料——一种被称为光刻胶的塑料。相比现有工艺,“冰刻”更加简便,大大提升了效率。成果论文日前发表于国际期刊《纳米通信》(Nano Letter)。仇旻教授现为西湖大学光学工程讲席教授。

  包括芯片在内的微纳器件正在拥抱量子点、纳米管、石墨烯等新材料。仇旻认为,冰刻三维加工能力在非平面衬底或易损柔性材料上展现出独特优势,有望成为未来的有力竞争者。


  用冰代替光刻胶

  在一面白墙上写一行印刷体的字,通常的做法是先做一块镂空出字形的模板,在向墙面喷涂颜料时用掩膜版遮挡,墙面上就留下了标准的字迹。来自宏观世界的灵感应用到微纳结构加工中,就是当前最常用的微纳加工方案——电子束曝光技术(EBL),简称“光刻”。

  在光刻中,充当“掩膜板”的就是光刻胶。经过电子束扫描,光刻胶的部分结构会发生变性,再经过化学试剂清洗,光刻胶便“显影”出特定的结构,为下一步操作画出了模板。

  随着微纳器件的小型化、精细化需求日益突出,科学家越来越感觉到“光刻”的局限。论文共同第一作者、浙大博士后赵鼎认为,局限之一在于掩膜板只存在曝光或没有经过曝光两种状态,一次只能形成一个二维图案,要制造三维结构需要经过非常繁琐冗长的步骤。“反复进出真空和非真空环境,过程中一点落灰就可能让样品报废。”另一个局限是光刻胶很难清洗,残留几乎不可避免,这会影响产品精度;如果改用超声波清洗,那么又存在破坏结构的风险。

  6年前,仇旻教授受国家“千人计划”支持回国任教,深感改进微纳加工技术的紧迫性。“当时,我们国家在微纳加工领域已经有了一点积累,但很少有很强的加工平台,要加工一个微纳器件,需要在全国不同的实验室之间跑。”仇旻说,这些年我国很多地方都有了微纳加工平台,但基础的制造方法仍有很大的探索空间。

  “如果我们用冰来代替光刻胶,结果就会很不一样。”几年前,一支哈佛大学的研究团队提出用“冰刻”的设想,仇旻团队则将这一技术推进到三维微纳器件加工领域。“当电子束打在冰层上,被打到的冰就自行消失了,自动留下一个三维结构模板。”这样便可大大缩短加工步骤。


  无定形冰:来自彗星

  我们日常生活中看到的雪花、霜、冰块等水的固体状态,都是水的结晶态。而“冰刻”需要的是一种无定形的冰。“在扫描电镜下看,无定形的冰的表面是平整光滑的。”洪宇介绍,而结晶态的冰膜表面微观结构是凹凸不平的,有很多棱角,不利于精细操作。

  更多的操作实验中发现,真空中零下130度的附近,恰好是水蒸气凝华成无定形冰的条件。“后来我们发现,这恰好是彗星的气候环境,彗星上的冰也是这种无定形状态。”仇旻说,

  平整的冰膜让电子束可以对冰雕刻出更多精巧的立体结构。“我们还尝试在一根头发丝千分之一粗细的纳米银线上,安放了一块纳米银牌。”洪宇说。

  仇旻认为,利用冰刻免匀胶易剥离的特性,可将冰刻三维加工能力推广到非平面衬底或易损柔性材料,为基于量子点、纳米管、纳米线、石墨烯、光纤等材料的新型光电子器件创造更多可能。“这些独特优势使其成为三维微纳加工技术中的有力竞争者。”


  自搭仪器:电子显微镜“开挂”了 

  要支撑“冰刻”这个巧妙的设想,必须要有相应的“生产线”,但没有现成的设备可供参考。团队成员开始着手设计搭建一条全新的“冰刻”装置。

  在浙大玉泉校区的实验室里,安放着一台咖啡机模样的扫描电子显微镜。经过6年的改造,这已经不是一台普通的电子显微镜了,它已经被改得面目全非,因为外挂了很多装备,“体型”比原来增大了三四倍。虽然洪宇仍然需要来回走动操作这台生产线,但比起之前要在不同的实验室辗转制备材料相比,这个三米左右的设备已经是一条浓缩的“生产线”。

  “开挂”了的扫描电镜,集制冷组件、注水组件、支撑组件、测温组件于一身。论文共同第一作者、浙大博士生洪宇介绍,在着手改装之前,设计图纸就画了几十稿。

  简化后的“冰刻”术只需要五个步骤,冷却、冰层沉积、曝光、材料蒸镀和剥离。通过这台构思巧妙的仪器,仇旻团队成功制造出金字塔、蘑菇、桥等三维造型。大大简化步骤的同时,还保证了作品的精度:分辨率达20纳米,定位精度达到100纳米以下。

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