與二維微/納結構相比，三維微/納結構具有更大空間自由度、更豐富和更新奇的功能特性，在力學、生物醫學、微電子及微納光子學等領域展示出巨大優勢和應用前景。然而，目前主流的微/納米製造技術是基於平面工藝，不能直接用於三維微/納米結構的加工。近年來，三維加工方法和技術已有較大的進展和突破，如多層疊加、雷射三維直寫和3D列印等，但是在納米尺度上進行可控的三維加工仍面臨巨大挑戰。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心微加工實驗室博士研究生楊盛焱，博士劉哲，研究員楊海方、李俊傑、顧長志等人，建立並完善了一種基於離子束應變誘導的三維摺疊納米結構加工方法，並與合作者一起在構築三維超材料和實現光場調控特性方面取得新進展。基於宏觀傳統摺紙工藝（Origami）帶來的靈感，他們提出了聚焦離子束（FIB）應變誘導的摺疊加工方法，可以實現從微米到納米尺度的可控摺疊或彎曲加工，尤其在三維結構精度、尺度和空間取向的加工方面展示出明顯的優勢。這種方法靈活直接、加工精度高、簡單實用，並與平面工藝兼容，具有結構自由度高及三維構型動態可控等特點，是一種非常具有前景的三維加工新方法。由於他們在這一領域的代表性工作，為材料領域國際期刊Advanced Materials【31(2019) 1802211】撰寫了一篇綜述文章，系統介紹了三維摺疊加工方法的物理機制、加工工藝及其在微納米器件應用上的研究進展和未來前景與挑戰，並被選為當期的Frontispiece。同時，他們還制定了《微納加工離子束輻照應變誘導三維納米結構與器件的加工方法》團體標準（T/BSPT 002—2018），並已發布。這是我國首次制定的兩項關於納米加工方法的團體標準之一，為我國納米製造的發展戰略提供了支撐。目前正在申報制定國家標準，並已通過初審。
該研究團隊與英國伯明罕大學教授張霜合作，在利用微納三維摺疊加工方法構築手性超材料實現自旋光分辨與選擇性傳輸方面取得突破。他們設計並加工出具有內稟手性特徵的三維摺疊超表面結構，實現了自旋光分辨和巨大的圓二色性值(CD)，解決了自旋光有效調控中的關鍵難題。在這一過程中，他們利用電子束光刻在氮化矽薄膜上製備了反鏡像對稱排布的金屬劈裂諧振環，然後利用聚焦離子束應變誘導加工技術，將劈裂諧振環沿著一定的空間角度進行摺疊，從而獲得具有高構型自由度的摺疊超表面。這種具有深亞波長厚度的摺疊超表面能夠使得一種自旋態的光高效率通過該器件，而另一種自旋態的光則被反射或吸收。實驗結果表明，隨著摺疊角度的優化，這種摺疊超表面在紅外波段的圓二色性值可高達0.7。這種摺疊超表面結構具有深亞波長特性，能高效地調控不同自旋光的傳播行為，從而實現光學波段高性能、微型化光自旋開關器件，在微型圓偏振器、自旋探測器、自旋光信息處理、手性光學成像和非線性光學等領域具有廣泛應用前景。該項研究成果於1月4日在線發表在Nano Letters (DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b04521)上，並被選作封面文章。
以上工作得到科技部、國家自然科學基金委員會和中科院的資助。
文章連接：1 2
圖1. 三維納米結構與器件加工的新方法與應用(綜述)
圖2. 利用摺疊超表面實現自旋光選擇性透射示意圖和摺疊超表面的SEM圖(左上圖)；多極矩輻射譜和表面電流分布揭示摺疊超表面手性光學響應的物理機制（左下圖）；實驗測得和理論計算獲得超表面對左旋和右旋圓偏振光的透射譜和實驗測得和理論計算獲得的摺疊超表面(摺疊角度q=50°)對左旋和右旋圓偏振光的透射譜（右圖）。
圖3. (a) 理論計算獲得的圓二色譜隨著摺疊角度的變化; (b) 實驗測得的圓二色譜隨著摺疊角度的變化; (c) 摺疊角度為60°時，實驗測得摺疊超表面的左旋和右旋光透射譜; 摺疊角度為60°時，摺疊超表面的圓二色性曲線。
與二維微/納結構相比，三維微/納結構具有更大空間自由度、更豐富和更新奇的功能特性，在力學、生物醫學、微電子及微納光子學等領域展示出巨大優勢和應用前景。然而，目前主流的微/納米製造技術是基於平面工藝，不能直接用於三維微/納米結構的加工。近年來，三維加工方法和技術已有較大的進展和突破，如多層疊加、雷射三維直寫和3D列印等，但是在納米尺度上進行可控的三維加工仍面臨巨大挑戰。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心微加工實驗室博士研究生楊盛焱，博士劉哲，研究員楊海方、李俊傑、顧長志等人，建立並完善了一種基於離子束應變誘導的三維摺疊納米結構加工方法，並與合作者一起在構築三維超材料和實現光場調控特性方面取得新進展。基於宏觀傳統摺紙工藝（Origami）帶來的靈感，他們提出了聚焦離子束（FIB）應變誘導的摺疊加工方法，可以實現從微米到納米尺度的可控摺疊或彎曲加工，尤其在三維結構精度、尺度和空間取向的加工方面展示出明顯的優勢。這種方法靈活直接、加工精度高、簡單實用，並與平面工藝兼容，具有結構自由度高及三維構型動態可控等特點，是一種非常具有前景的三維加工新方法。由於他們在這一領域的代表性工作，為材料領域國際期刊Advanced Materials【31(2019) 1802211】撰寫了一篇綜述文章，系統介紹了三維摺疊加工方法的物理機制、加工工藝及其在微納米器件應用上的研究進展和未來前景與挑戰，並被選為當期的Frontispiece。同時，他們還制定了《微納加工離子束輻照應變誘導三維納米結構與器件的加工方法》團體標準（T/BSPT 002—2018），並已發布。這是我國首次制定的兩項關於納米加工方法的團體標準之一，為我國納米製造的發展戰略提供了支撐。目前正在申報制定國家標準，並已通過初審。
該研究團隊與英國伯明罕大學教授張霜合作，在利用微納三維摺疊加工方法構築手性超材料實現自旋光分辨與選擇性傳輸方面取得突破。他們設計並加工出具有內稟手性特徵的三維摺疊超表面結構，實現了自旋光分辨和巨大的圓二色性值(CD)，解決了自旋光有效調控中的關鍵難題。在這一過程中，他們利用電子束光刻在氮化矽薄膜上製備了反鏡像對稱排布的金屬劈裂諧振環，然後利用聚焦離子束應變誘導加工技術，將劈裂諧振環沿著一定的空間角度進行摺疊，從而獲得具有高構型自由度的摺疊超表面。這種具有深亞波長厚度的摺疊超表面能夠使得一種自旋態的光高效率通過該器件，而另一種自旋態的光則被反射或吸收。實驗結果表明，隨著摺疊角度的優化，這種摺疊超表面在紅外波段的圓二色性值可高達0.7。這種摺疊超表面結構具有深亞波長特性，能高效地調控不同自旋光的傳播行為，從而實現光學波段高性能、微型化光自旋開關器件，在微型圓偏振器、自旋探測器、自旋光信息處理、手性光學成像和非線性光學等領域具有廣泛應用前景。該項研究成果於1月4日在線發表在Nano Letters (DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b04521)上，並被選作封面文章。
以上工作得到科技部、國家自然科學基金委員會和中科院的資助。
文章連接：1 2
圖1. 三維納米結構與器件加工的新方法與應用(綜述)
圖2. 利用摺疊超表面實現自旋光選擇性透射示意圖和摺疊超表面的SEM圖(左上圖)；多極矩輻射譜和表面電流分布揭示摺疊超表面手性光學響應的物理機制（左下圖）；實驗測得和理論計算獲得超表面對左旋和右旋圓偏振光的透射譜和實驗測得和理論計算獲得的摺疊超表面(摺疊角度q=50°)對左旋和右旋圓偏振光的透射譜（右圖）。
圖3. (a) 理論計算獲得的圓二色譜隨著摺疊角度的變化; (b) 實驗測得的圓二色譜隨著摺疊角度的變化; (c) 摺疊角度為60°時，實驗測得摺疊超表面的左旋和右旋光透射譜; 摺疊角度為60°時，摺疊超表面的圓二色性曲線。