冰刻研究取得新突破

在八分之一髮絲粗細的光纖末端同時雕刻上百件「冰雕」

冰刻研究取得新突破

光明日報記者 晉浩天 光明日報通訊員 馮怡 俞熙娜

還記得兒時看過的冰雕展嗎？宮殿、動物、叢林，讓人不得不讚嘆匠人的高超技藝。

如果，這樣的冰雕是在僅有八分之一頭髮絲粗細的光纖末端上，並且同時雕刻上百件，那又是怎樣的風景？

過去兩個月，西湖大學仇旻研究團隊，在《納米快報》《納米尺度》《應用表面科學》等期刊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，一套以「原料進、成品出」為目標的「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」，西湖大學光學工程講席教授、副校長仇旻說。但這一換，卻換出了一片全新的想像空間。

仇旻團隊部分成員合影。西湖大學供圖

什麼是「冰刻」

如何用巧克力粉在奶油蛋糕表面撒出「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。巧克力粉透過模具撒落到蛋糕上，「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中（微納加工的核心技術之一）。

假設我們要在矽晶片上加工納米尺度的金屬字，我們首先需要將一種叫「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」，在真空環境中將金屬字寫在光刻膠上，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？零下140度左右的真空環境，能讓水蒸氣凝華成無定形冰。

從冰層沉積開始到吹除廢料結束，加工全程不涉及化學溶劑。西湖大學供圖

「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，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。

「原料進、成品出」短短六個字，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。」

在薄至300納米的冰膠上刻畫圖案，圖中最小的微型雪花直徑僅1.4微米，所有比例尺長度均為1微米。西湖大學供圖

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8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。從瑞典皇家工學院回國後，仇旻與招收的第一批博士研究生之一趙鼎，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做出的選擇。」趙鼎說。

「冰刻」原理簡單明了，但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5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。

在最新發表的文章結尾，仇旻團隊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。

《光明日報》（ 2020年12月08日01版）

來源： 光明網-《光明日報》