同濟大學黃秋實副教授關於X射線多層膜納米光柵的最新研究成果發表在《Nature Communications》
來源：物理科學與工程學院 時間：2019-06-05 瀏覽：光柵是光學和光電系統的核心構造單元之一。光柵元件的周期決定著系統的色散和解析度性能。隨著現代光學技術的發展，尤其是同步輻射和自由電子雷射等大型X射線科學裝置的發展，高解析度X射線譜學技術對超小周期納米光柵元件的要求越來越高。傳統自上而下的納米製備技術（包括光刻和電子束直寫等）難以實現大面積亞百納米周期光柵元件的製備，限制了X射線光譜探測解析度的進一步提升和凝聚態物理中相關科學的發展。針對上述問題，同濟大學精密光學工程技術研究所黃秋實副教授在工作中發展了一種新型X射線納米光柵的製備技術。它基於自下而上的自組裝原理，利用低能離子轟擊在半導體材料（Ge）表面激發空穴的類外延生長，形成高度規則的納米溝槽陣列，溝槽周期達到亞50nm水平，形狀類似對稱的閃耀光柵結構，光柵線密度相當於2萬線/毫米。在此基礎上，將納米光柵與多層膜相結合，形成三維多層膜光柵結構，大大提高光柵衍射效率，使其可工作在X射線波段；多層膜光柵的高級次衍射也將進一步提高元件的色散性能。實驗結果表明：研製的Mo/Si多層膜納米光柵在87.5eV的X射線能量獲得11%的衍射效率；Mo/Si和Cr/C多層膜光柵在90eV和270eV附近獲得0.21°/eV和0.093°/eV的超高角色散，比現有技術製備的最高線密度5千線/毫米光柵的色散性能提高4.5-6.3倍。同時，該技術在2英寸晶圓上實現了多層膜納米光柵的均勻構築，展現了該方法具有大面積快速製備的獨特優勢。這項技術不僅為超高解析度光柵的製備提供了新方法，突破了傳統光柵元件色散性能的瓶頸；也為高性能緊湊型X射線光譜儀的發展奠定了基礎。
圖1 多層膜納米光柵製備流程示意圖(a-c)，製備Mo/Si (d, e)和Cr/C (f, g)多層膜光柵的截面TEM圖
相關研究成果以「Realization of wafer-scale nanogratings with sub-50 nm period through vacancy epitaxy」為題，於6月4日發表於《Nature Communications》 (DOI: 10.1038/s41467-019-10095-2)。同濟大學精密光學工程技術研究所黃秋實副教授、中國科學院上海微系統與信息技術研究所賈棋博士為共同第一作者，中國科學院上海微系統與信息技術研究所歐欣教授為通訊作者。相關研究工作獲得了國家自然科學基金大科學裝置聯合基金重點項目的支持。
圖2 Mo/Si和Cr/C多層膜納米光柵的色散測試結果