浙江新聞客戶端訊 還記得兒時看過的冰雕展嗎？美輪美奐的宮殿、動物、叢林，讓人不得不讚嘆匠人的鬼斧神工。
如果，這樣的冰雕是發生在僅有頭髮絲八分之一粗細的光纖末端，並且不止雕刻一件作品，而是同時雕刻百件以上呢？
這樣的風景，正發生在西湖大學雲棲校區的納米光子學與儀器技術實驗室裡。
過去兩個月，西湖大學仇旻研究團隊，在Nano Letters、Nanoscale、Applied Surface Science等期刊上連續發表一系列研究成果，對小到微米甚至納米級別的「冰雕」遊刃有餘。從精確定位到精準控制雕刻力度，再到以「冰雕」為模具製作結構、加工器件，一套「wafer in, device out.」（材料進，成品出）的「冰刻2.0」三維微納加工系統雛形初現。
「其實我們只是把傳統電子束光刻技術中的『光刻膠』換成了冰。」仇旻說。但這一換，換出了一片全新的想像空間。
什麼是「冰刻」
如何用巧克力粉在奶油蛋糕表面灑出「生日快樂」四個字？你需要一片模具，模具上有鏤空的「生日快樂」字樣。巧克力粉透過模具灑落到蛋糕上，「生日快樂」四個字就出現了。
類似的原理，也應用在傳統的電子束光刻技術——微納加工的核心技術一—之中。
假設我們要在矽晶片上加工四個納米尺度的金屬字「西湖大學」，首先，我們需要將一種叫「光刻膠」的材料均勻地塗抹在晶片表面；用電子束（相當於肉眼看不見的「雕刻刀」）在真空環境中將「西湖大學」四個字寫在光刻膠上，對應位置的光刻膠性質會發生變化；再用化學試劑洗去改性部分的膠，一片「鏤空」的光刻膠模具就做好了；接下來便是將金屬「填」進鏤空位置，使之「長」在晶片表面；最後再用化學試劑將所有光刻膠清洗乾淨，去除廢料後只留下金屬字。
可見，光刻膠是微納加工過程中非常關鍵的材料。
所以有人說，中國要製造晶片，光有光刻機還不夠，還得打破國外對「光刻膠」的壟斷。但這樣的「光刻膠」有局限性。
「在樣品上塗抹光刻膠，這是傳統光刻加工的第一步。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；材質不能過脆，否則容易破裂。」仇旻實驗室助理研究員趙鼎說。
那麼，把光刻膠變成水、冰呢？
《孫子兵法》中說：「兵無常勢，水無常形。」零下140度左右的真空環境，能讓水蒸氣凝華成無定形冰。
「我們把樣品放入真空設備後，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。
「無常形」的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，也使得在脆弱材料上加工變成可能。對應「光刻膠」，他們給這層水冰起名「冰膠」，給冰膠參與的電子束光刻技術起名「冰刻」。
實際上，一旦將光刻膠換成了冰膠，由於水的特殊性質，還能夠極大地簡化加工流程。
「當電子束打在冰層上，被打到的冰『自行消失』，因為電子束將水分解氣化，這樣就能直接雕刻出冰模板，不需要像傳統光刻那樣用化學試劑清洗一遍來形成模具，從而規避了洗膠帶來的汙染，以及難以洗淨的光刻膠殘留導致良品率低等問題。」趙鼎解釋說。
同樣道理，「光刻」的最後一步，需要再次用化學試劑洗膠，而「冰刻」只需要讓冰融化或升華成水蒸氣即可，仿佛這層冰膠從來不曾存在過一樣。
冰刻2.0：從原材料到成品一氣呵成
2012年，仇旻從瑞典皇家工學院回國任教後不久，就開啟了「冰刻」研究計劃。經過六年的努力，他和他的團隊將「冰刻」從紙上談兵變成現實，完成了國內首臺「冰刻」系統的研發。
來到西湖大學後，仇旻在國家自然科學基金委重大科研儀器研製項目（自由申請類）的支持下，全力研發功能更加強大的「冰刻系統2.0」。他們希望改變傳統電子束光刻繁瑣的加工程序，創造出一套全流程一體化、自動化的微納加工系統——從冰膠形成開始，到模具加工、材料生長、器件性能表徵，一氣呵成。
研究團隊已經從多個維度入手，不斷提升「冰刻」技術。
例如，團隊成員掌握了如何「精準定位」。想要有效「雕刻」冰膠，電子作用強度有一定要求，強度太弱冰膠不會消失。這讓原本僅作為「刻刀」使用的電子束新增了「定位器」的功能。
當加工多層式三維立體結構時，可以先用低強度的電子束（減少對冰層損壞）透過冰膠，觀察並找到下層已經完成的結構；精確定位後再加大強度，正式開始「鏤空」作業。這樣一來，就不需要像使用光刻膠那樣額外引入複雜昂貴的對準裝置，能夠輕易實現幾十納米的加工定位精度。
仇旻實驗室2019級博士研究生吳珊，找到了控制「雕刻力度」的方法。她通過實驗發現，冰膠去除厚度與電子作用強度呈線性關係。也就是說，「刻刀」在冰上鑿刻時，下刀的力越大，刻出的槽就越深，並且下刀的力度和槽的深度能直接按比例推算。而使用光刻膠，電子與膠厚之間的關係要複雜得多，電子束「雕刻」時力道控制的精準性和靈活性就會受到約束。
仇旻實驗室訪問學生洪宇和其他團隊成員，則發現不費「吹灰之力」就可以清除加工廢料。他們利用冰刻技術不僅在光纖端面（光纖「頭部」的橫截面），而且在光纖曲面（光纖「身體」表面）上加工製作出各種精巧的微納結構。尤其在最後清除廢料環節，他們發現樣品在真空中從低溫升回室溫後，多餘的金屬材料自然捲曲並與樣品分離，可以被輕易地吹除。
除此之外，利用冰在電子作用下與材料發生的獨特反應，「我們可以將只有一個原子層厚度的二維材料『冰刻』成任意形狀，通過人工構造的方式使材料產生奇特的性質。」仇旻實驗室2019級博士研究生姚光南目前正在開展這方面的研究。
「Wafer in, device out.」短短四個單詞，形象地描繪出他們為冰刻2.0制定的遠大目標——一進一出，送進去的是原材料，拿出來的是成品器件。
仇旻說，從本質上講，「冰刻」仍屬於電子束光刻。但它作為一種綠色且「溫和」的加工手段，尤其適用於非平面襯底或者易損柔性材料，甚至生物材料。
復旦大學物理系主任、超構材料與超構表面專家周磊教授表示，這項工作對於研發集成度更高、功能性更強的光電器件具有重要的現實意義。「『冰刻』可以將光學前沿的超構表面與已經廣泛應用的光纖有機結合，既給前者找到了合適的落地平臺，又讓後者煥發了新的生機。」他說。
痛並快樂著的寂寞舞者
這是一群寂寞的「冰上舞者」。仇旻團隊已在「冰刻」這塊試驗田深耕了八年。
最初，他了解到哈佛大學的一支研究團隊演示了面向生命科學領域的「冰刻」加工雛形，這給了他靈感，讓他看到了這項技術在微納加工領域的巨大潛力。
這是一個無人區。仇旻用夢想的力量，感召了他回國後招收的第一批博士研究生之一趙鼎，他們決定一起來挑戰這個課題。「不做康莊大道上的跟隨者，而是獨闢蹊徑闖出一條新路，我想這是多數科研工作者更願意的選擇。」趙鼎說。
「冰刻」原理簡單明了，但是儀器的實現則異常艱辛。團隊需要對原有的電子束光刻設備進行大量改造。趙鼎為之奮鬥了五年。「很多工作都是從零開始，比如注入水蒸氣，說起來很簡單，實際上經過了一次次實驗，溫度要多低、注入口和樣品的距離要多遠、注入量和速率要多大……都得一一驗證。」
趙鼎畢業之後，師弟洪宇接力，為冰刻系統的研發繪製了幾十稿設計圖紙。因為沒有現成的可以購買，多數情況下必須自己動手，他惡補了很多真空技術和熱學方面的知識。
而今，在國外完成兩年博士後研究之後，趙鼎又回到仇旻實驗室，繼續這場「冰刻」長跑。
事實上，全世界做冰刻的實驗室，目前滿打滿算只有兩個，一個在中國，一個在丹麥。顯然，這不是一個熱門的研究方向，且研發周期很長，想在這個課題上很快發文章並獲得高引用很難。
「但這是一項令人激動的新技術。」仇旻說，「這樣的探索，有可能帶來很大的突破，也有可能什麼都沒有，但這正是基礎研究的意義和樂趣所在。」而當我們把視角放大到中國製造的背景下，在從製造業大國向製造業強國的轉變中，對以微納加工為代表的超精密加工的探索和創新，正是中國製造指向的未來。
在仇旻團隊最新發表的文章結尾，他們用一種非常科幻的方式展望了「冰刻」的未來。毫無疑問，未來圍繞「冰刻」的研究，將聚焦於那些傳統「光刻」能力無法企及的領域。受益於水這種物質得天獨厚的生物相容性，在生物樣本上「冰刻」光子波導或電子電路有望得以實現。而這將史無前例地提高人為幹預生物樣本的能力，同時開闢出全新的學科交叉和研究方向。
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