時值冬季，各種美輪美奐的冰雕又要出場，西湖大學科研團隊展示了一種「冰雕」絕活兒。他們的「冰雕」，小到微米甚至納米級別。
記者12月9日從西湖大學獲悉，近兩個月來，西湖大學納米光子學與儀器技術實驗室負責人仇旻和他的研究團隊在《納米快報》《納米尺度》《應用表面科學》等國際知名期刊上，連續發表了一系列關於冰刻的研究成果。
在微米甚至納米級別的「冰雕」上，該研究團隊已經可以實現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——一種新型三維微納加工系統雛形初現。
光刻膠之短，「冰膠」之長
要理解他們研發的冰刻技術，需要先了解傳統的電子束光刻技術。
在傳統的電子束光刻技術中，通常需要將一種叫做光刻膠的材料均勻地塗抹在晶片表面。
電子束作用在光刻膠上，會改變相應位置的光刻膠性質。隨後再進行洗膠、填金屬、再洗膠等一系列流程。
可以看出，光刻膠是微納加工過程中非常關鍵的材料，不過，光刻膠也存在一定局限性。
「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。
如果把光刻膠換成薄薄的一層冰，會是什麼樣的效果?
「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。
因為，在零下140攝氏度左右的真空環境中，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，也使在脆弱材料上加工變成可能。
對應光刻膠，科研人員給這層水冰起名「冰膠」，給冰膠參與的電子束光刻技術起名「冰刻」。
趙鼎介紹，一旦將光刻膠換成冰膠，還能夠極大地簡化加工流程。因為冰膠可以通過直接被電子束雕刻、融化或氣化即可去除，所以加工過程中，無需用化學試劑清洗光刻膠，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。
「冰刻2.0」，硬體初具雛形
據介紹，仇旻和他的團隊曾在2018年完成了國內首臺「冰刻」系統的研發。加入西湖大學後，仇旻帶領科研團隊繼續研發功能更加強大的「冰刻2.0」系統。
在最近的研究中，研究團隊從多個維度入手，不斷提升冰刻技術，並取得一系列新進展。
一方面，該研究團隊掌握了如何在冰刻中精準定位。他們發現，當加工多層式三維立體結構時，可以先使用低強度的電子束，精確定位後再加大強度，正式開始「鏤空」作業。另一方面，實驗室成員還找到了控制冰刻力度的方法。實驗顯示，冰膠去除厚度與電子作用強度呈線性關係。
「『冰刻1.0』系統的儀器體積較小、功能單一，適用於簡單微納結構的製作……當前『冰刻2.0』的研發才剛剛開始，但系統的硬體設施已初具雛形。」趙鼎告訴科技日報記者，該團隊的目標是實現「原料進，成品出」的一站式微納加工。
從全球範圍來看，冰刻技術的研發仍處於起步階段。這樣的技術，將來有哪些用場?
在仇旻看來，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。
「在電子束光刻這個框架體系下，冰膠與傳統光刻膠之間更像是互補關係。傳統光刻膠工藝成熟，特別適合在大面積平整襯底上加工，冰膠則在微小的、不規則的或者非平面的襯底上加工優勢更加突出。」趙鼎說，目前來看，冰刻技術的應用場景集中在基於光纖、納米線、納米管以及二維材料的新型光電子器件製備。
復旦大學物理系主任、超構材料與超構表面專家周磊教授評價說，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。(記者 劉園園 通訊員 馮怡)
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