原题目:冰刻研究取得新突破

还记得儿时看过的冰雕展吗?宫殿、动物、森林,让人不得不赞叹匠人的高明身手。

若是,这样的冰雕是在仅有八分之一头发丝粗细的光纤末端上,而且同时镌刻上百件,那又是怎样的景物?

已往两个月,西湖大学仇旻研究团队,在《纳米快报》《纳米尺度》《应用外面科学》等期刊延续揭晓一系列研究成果,对小到微米甚至纳米级其余“冰雕”游刃有余,从正确定位到精准控制镌刻力度,再到以“冰雕”为模具制作结构、加工器件,一套以“质料进、制品出”为目的的“冰刻2.0”三维微纳加工系统雏形初现。

“实在我们只是把传统电子束光刻手艺中的‘光刻胶’换成了冰”,西湖大学光学工程讲席教授、副校长仇旻说。但这一换,却换出了一片全新的想象空间。

什么是“冰刻”

如何用巧克力粉在奶油蛋糕外面撒出“生日快乐”四个字?你需要一片模具,模具上有镂空的“生日快乐”字样。巧克力粉透过模具撒落到蛋糕上,“生日快乐”四个字就泛起了。

类似的原理,也应用在传统的电子束光刻手艺中(微纳加工的核心手艺之一)。

假设我们要在硅晶片上加工纳米尺度的金属字,我们首先需要将一种叫“光刻胶”的质料平均地涂抹在晶片外面;用电子束,相当于肉眼看不见的“镌刻刀”,在真空环境中将金属字写在光刻胶上,对应位置的光刻胶性子会发生变化;再用化学试剂洗去改性部门的胶,一片“镂空”的光刻胶模具就做好了;接下来即是将金属“填”进镂空位置,使之“长”在晶片外面;最后再用化学试剂将所有光刻胶洗濯清洁,去除废物后只留下金属字。

可见,光刻胶是微纳加工过程中异常要害的质料。以是有人说,中国要制造芯片,光有光刻机还不够,还得打破外洋对“光刻胶”的垄断。

但这样的“光刻胶”有局限性。

“在样品上涂抹光刻胶,这是传统光刻加工的第一步。这个动作有点像摊鸡蛋饼,若是铁板不平整,饼就摊欠好。同时,被抹胶的地方,面积不能太小,否则胶不容易摊开摊匀;材质不能过脆,否则容易破碎。”仇旻实验室助理研究员赵鼎说。

那么,把光刻胶酿成水冰呢?零下140度左右的真空环境,能让水蒸气凝华成无定形冰。

“我们把样品放入真空装备后,先给样品降温再注入水蒸气,水蒸气就会在样品上凝华成薄薄的冰层。”赵鼎说,光刻胶之所短恰恰是水之所长。“无常形”的水蒸气可以包裹随便形状的外面,哪怕是极小的样品也没有问题;水蒸气的轻若无物,也使得在懦弱质料上加工酿成可能。对应“光刻胶”,他们给这层水冰起名“冰胶”,给冰胶介入的电子束光刻手艺起名“冰刻”。

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实际上,一旦将光刻胶换成了冰胶,还能够极大地简化加工流程。

“当电子束打在冰层上,被打到的冰‘自行消逝’,由于电子束将水分解气化,这样就能直接镌刻出冰模板,不需要像传统光刻那样,用化学试剂洗濯一遍形成模具,从而规避了洗胶带来的污染,以及难以洗净的光刻胶残留导致良品率低等问题”,赵鼎注释说。

同样原理,“光刻”的最后一步,需要再次用化学试剂洗胶,而“冰刻”只需要让冰融化或升华成水蒸气即可,好像这层冰胶从来未曾存在过一样。

“质料进、制品出”短短六个字,形象地描绘出他们为冰刻2.0制订的远大目的——一进一出,送进去的是原质料,拿出来的是制品器件。仇旻说,从本质上讲,“冰刻”仍属于电子束光刻。但它作为一种绿色且“温顺”的加工手段,尤其适用于非平面衬底或者易损柔性子料,甚至生物质料。

复旦大学物理系主任、超构质料与超构外面专家周磊教授示意,这项事情对于研发集成度更高、功能性更强的光电器件具有主要的现实意义。“‘冰刻’可以将光学前沿的超构外面与已经广泛应用的光纤有机连系,既给前者找到了合适的落地平台,又让后者焕发了新的生气。”

痛并快乐着的寥寂“舞者”

这是一群寥寂的“冰上舞者”。仇旻团队已在“冰刻”这块试验田深耕了8年。

最初,他领会到哈佛大学的一支研究团队演示了面向生命科学领域的“冰刻”加工雏形,这给了他灵感,让他看到了这项手艺在微纳加工领域的伟大潜力。

这是一个无人区。从瑞典皇家工学院回国后,仇旻与招收的第一批博士研究生之一赵鼎,一起来挑战这个课题。“不做平坦大路上的跟随者,而是独辟蹊径闯出一条新路,我想这是多数科研事情者更愿意做出的选择。”赵鼎说。

“冰刻”原理简单明了,但仪器的实现则异常艰辛。团队需要对原有的电子束光刻装备举行大量革新。赵鼎为之奋斗了5年。“许多事情都是从零开始,好比注入水蒸气,说起来很简单,实际上经过了一次次实验,温度要多低、注入口和样品的距离要多远、注入量和速率要多大……都得逐一验证。”

赵鼎结业之后,师弟洪宇接力,为冰刻系统的研发绘制了几十稿设计图纸。由于没有现成的可以购置,多数情况下必须自己着手,他恶补了许多真空手艺和热学方面的知识。现在,在外洋完成两年博士后研究之后,赵鼎又回到仇旻实验室,继续这场“冰刻”长跑。

事实上,全世界做冰刻的实验室,现在满打满算只有两个,一个在中国,一个在丹麦。显然,这不是一个热门的研究偏向,且研发周期很长,想在这个课题上很快发文章并获得高引用很难。

“但这是一项令人激动的新手艺。”仇旻说,“这样的探索,有可能带来很大的突破,也有可能什么都没有,但这正是基础研究的意义和兴趣所在。”而当我们把视角放大到中国制造的靠山下,在从制造业大国向制造业强国的转变中,对以微纳加工为代表的超周详加工的探索和创新,正是中国制造指向的未来。

在最新揭晓的文章末端,仇旻团队用一种异常科幻的方式展望了“冰刻”的未来——毫无疑问,未来围绕“冰刻”的研究,将聚焦于那些传统“光刻”能力无法企及的领域。受益于水这种物质得天独厚的生物相容性,在生物样本上“冰刻”光子波导或电子电路有望得以实现。而这将史无前例地提高人为干预生物样本的能力,同时开拓出全新的学科交织和研究偏向。

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