在僅有頭發(fā)絲八分之一粗細(xì)的光纖末端進(jìn)行“冰刻”加工，且一次雕刻上百件作品，這是西湖大學(xué)仇旻實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)近期發(fā)布的一項(xiàng)三維微納加工技術(shù)。

近兩個(gè)月內(nèi)，該團(tuán)隊(duì)在《納米快報(bào)》《納米尺度》《應(yīng)用表面科學(xué)》等期刊上連續(xù)發(fā)表了一系列研究成果。

研究人員介紹，在2018年發(fā)布的“冰刻”系統(tǒng)研發(fā)的基礎(chǔ)上，這次發(fā)布的“冰刻2.0”技術(shù)以“原料進(jìn)、成品出”為目標(biāo)，力爭(zhēng)打造從精確定位到精準(zhǔn)控制雕刻力度，再到以“冰雕”為模具制作結(jié)構(gòu)、加工器件的一體化系統(tǒng)。

電子束光刻技術(shù)是微納加工的核心技術(shù)之一，而光刻膠是加工過(guò)程中非常關(guān)鍵的材料。要在硅晶片上進(jìn)行納米尺度的加工，首先要將光刻膠均勻涂抹在晶片表面；用電子束在真空環(huán)境中將圖案“寫(xiě)”在光刻膠上，對(duì)應(yīng)位置的光刻膠性質(zhì)發(fā)生變化；用化學(xué)試劑洗去性質(zhì)改變的光刻膠，能得到鏤空的光刻膠模具；再將金屬“填”進(jìn)鏤空位置，使之“長(zhǎng)”在晶片表面；最后再用化學(xué)試劑將光刻膠清洗干凈，去除廢料留下金屬結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)電子束光刻技術(shù)的關(guān)鍵步驟

不過(guò)，傳統(tǒng)電子束光刻技術(shù)有一定局限性�！霸跇悠飞贤磕ü饪棠z是傳統(tǒng)方法的第一步，這個(gè)動(dòng)作像攤雞蛋餅，如果鐵板不平整，餅就攤不好。抹膠的地方，面積不能太小，否則膠不容易攤開(kāi)攤勻；材質(zhì)不能過(guò)脆，否則容易破裂。”仇旻實(shí)驗(yàn)室助理研究員趙鼎說(shuō)。

研究團(tuán)隊(duì)將光刻膠換成了冰。他們把樣品放入真空設(shè)備，先給樣品降溫再注入水蒸氣。在零下140攝氏度左右的真空環(huán)境，水蒸氣會(huì)在樣品上凝華成薄薄的冰層。

水蒸氣可以包裹任意形狀的表面、輕若無(wú)物，使得在脆弱材料上加工變成可能。由于水的特殊性質(zhì)，加工流程也被極大簡(jiǎn)化。例如當(dāng)電子束打在冰層上，冰會(huì)氣化，這樣就能直接雕刻出冰模板，規(guī)避了傳統(tǒng)化學(xué)清洗引起污染和光刻膠殘留導(dǎo)致良品率低等問(wèn)題。

應(yīng)用冰膠的電子束光刻關(guān)鍵步驟

研究團(tuán)隊(duì)給這層冰起名“冰膠”，給冰膠參與的電子束光刻技術(shù)起名“冰刻”。研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、西湖大學(xué)副校長(zhǎng)仇旻教授說(shuō)，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。

在仇旻團(tuán)隊(duì)最新發(fā)表的文章結(jié)尾，他們用一種非�？苹玫姆绞秸雇�了“冰刻”的未來(lái)。毫無(wú)疑問(wèn)，未來(lái)圍繞“冰刻”的研究，將聚焦于那些傳統(tǒng)“光刻”能力無(wú)法企及的領(lǐng)域。受益于水這種物質(zhì)得天獨(dú)厚的生物相容性，在生物樣本上“冰刻”光子波導(dǎo)或電子電路有望得以實(shí)現(xiàn)。而這將史無(wú)前例地提高人為干預(yù)生物樣本的能力，同時(shí)開(kāi)辟出全新的學(xué)科交叉和研究方向。

相關(guān)研究論文鏈接：

1.https://doi.org/10.1039/D0NR05948J 

2.https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.148265 

3.https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03809