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冰上起舞!西湖大學仇旻實驗室“冰刻2.0”首秀丨Lab Show

發布時間:2020-12-03     來源:民進杭州市委會

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  仇旻,西湖大學副校長、民進杭州市西湖大學支部主任委員。他,16歲考入浙江大學物理系,24歲獲得浙江大學凝聚態物理博士,26歲獲得瑞典皇家工學院(KTH)電磁理論工學博士并被聘為助理教授,34歲晉升為瑞典皇家工學院微電子及應用物理系正教授,35歲回國任教,43歲作為副校長參與創辦西湖大學,2020年創建全國第一個民營研究型大學民進組織---民進杭州市西湖大學支部……

  下面請看關于他的科學故事:

  實驗室里往來穿梭的人,穿著密密實實的連體服,戴著口罩、頭套、手套,除了眼睛曝露在外,連一絲頭發都不能飄散在空中……

  這是位于云棲校區2號樓一樓的納米光子學與儀器技術實驗室,西湖大學最干凈的地方之一——實驗室采用正壓設計,每一間都是“超凈室”,不僅人不能隨意進出,而且即使打開門,也要確??諝庵荒軓膶嶒炇覂炔肯蛲饬鲃?。

  納米光子學與儀器技術實驗室是做什么的?顧名思義,他們主要是在微米、納米尺度上,探索光與物質的相互作用,研發新型光電子器件及其制造工藝。其中,有一項叫“冰刻”的技術,是他們的重點研究方向之一。

  相信大家小時候都看過美輪美奐的冰雕展,如果這樣的冰雕是發生在僅有頭發絲八分之一粗細的光纖末端,并且一次不止雕刻一件作品,而是百件以上呢?

  近兩個月來,實驗室負責人仇旻和他的研究團隊在Nano Letters、Nanoscale、Applied Surface Science等期刊上,連續發表了一系列研究成果——在小到微米甚至納米級別的“冰雕”上,他們已然游刃有余——從精確定位到精準控制雕刻力度,再到以“冰雕”為模具制作結構、加工器件,一套以“wafer in, device out”為目標的“冰刻2.0”三維微納加工系統雛形初現。

  本期Lab Show,我們一起換裝,去看看神奇的“冰刻”。

  什么是“冰刻”

  如何用巧克力粉在奶油蛋糕表面灑出“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。巧克力粉透過模具灑落到蛋糕上,“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)。

  傳統電子束光刻技術的關鍵步驟

  假設我們要在硅晶片上加工四個納米尺度的金屬字“西湖大學”,首先,我們需要將一種叫“光刻膠”的材料均勻地涂抹在晶片表面;用電子束(相當于肉眼看不見的“雕刻刀”)在真空環境中將“西湖大學”四個字寫在光刻膠上,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;最后再用化學試劑將所有光刻膠清洗干凈,去除廢料后只留下金屬字。

  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,中國要制造芯片,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。

  “在樣品上涂抹光刻膠,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?!背饡F實驗室助理研究員趙鼎說。

  那么,把光刻膠變成水冰呢?

  《孫子兵法》中說:“兵無常勢,水無常形?!绷阆?40度左右的真空環境,能讓水蒸氣凝華成無定形冰。

  “我們把樣品放入真空設備后,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?!壁w鼎說,光刻膠之所短恰恰是水之所長?!盁o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,由于水的特殊性質,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來形成模具,從而規避了洗膠帶來的污染,以及難以洗凈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”的最后一步,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。

  冰刻2.0:從原材料到成品一氣呵成

  2012年,仇旻從瑞典皇家工學院回國任教后不久,就開啟了“冰刻”研究計劃。經過六年的努力,他和他的團隊將“冰刻”從紙上談兵變成現實,完成了國內首臺“冰刻”系統的研發。來到西湖大學后,仇旻在國家自然科學基金委重大科研儀器研制項目(自由申請類)的支持下,全力研發功能更加強大的“冰刻系統2.0”。他們希望改變傳統電子束光刻繁瑣的加工程序,創造出一套全流程一體化、自動化的微納加工系統——從冰膠形成開始,到模具加工、材料生長、器件性能表征,一氣呵成。

  冰刻系統2.0已在實驗中雛形初現,中間圓型的“中轉艙”是實現一站式的關鍵,樣品每完成一個步驟,都將被送回到這里,再由機械臂將其送入下個步驟的“操作間”。

  研究團隊已經從多個維度入手,不斷提升“冰刻”技術。

  例如,團隊成員掌握了如何“精準定位”。想要有效“雕刻”冰膠,電子作用強度有一定要求,強度太弱冰膠不會消失。這讓原本僅作為“刻刀”使用的電子束新增了“定位器”的功能。當加工多層式三維立體結構時,可以先用低強度的電子束(減少對冰層損壞)透過冰膠,觀察并找到下層已經完成的結構;精確定位后再加大強度,正式開始“鏤空”作業。這樣一來,就不需要像使用光刻膠那樣額外引入復雜昂貴的對準裝置,能夠輕易實現幾十納米的加工定位精度。

  仇旻實驗室2019級博士研究生吳珊,找到了控制“雕刻力度”的方法。她通過實驗發現,冰膠去除厚度與電子作用強度呈線性關系。也就是說,“刻刀”在冰上鑿刻時,下刀的力越大,刻出的槽就越深,并且下刀的力度和槽的深度能直接按比例推算。而使用光刻膠,電子與膠厚之間的關系要復雜得多,電子束“雕刻”時力道控制的精準性和靈活性就會受到約束。

  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。

  仇旻實驗室訪問學生洪宇和其他團隊成員,則發現不費“吹灰之力”就可以清除加工廢料。他們利用冰刻技術不僅在光纖端面(光纖“頭部”的橫截面),而且在光纖曲面(光纖“身體”表面)上加工制作出各種精巧的微納結構。尤其在最后清除廢料環節,他們發現樣品在真空中從低溫升回室溫后,多余的金屬材料自然卷曲并與樣品分離,可以被輕易地吹除。

  圖A所示的單模光纖端面上,加工同心圓結構及圖BCD所示的結構,其中B圖單個結構寬度200納米,C圖單個領結型結構中心間隔30納米,D圖單個圓環外徑660納米、寬度110納米。

  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。

  除此之外,利用冰在電子作用下與材料發生的獨特反應,“我們可以將只有一個原子層厚度的二維材料‘冰刻’成任意形狀,通過人工構造的方式使材料產生奇特的性質?!背饡F實驗室2019級博士研究生姚光南目前正在開展這方面的研究。

  “Wafer in, device out.”短短四個單詞,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”仍屬于電子束光刻。但它作為一種綠色且“溫和”的加工手段,尤其適用于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,這項工作對于研發集成度更高、功能性更強的光電器件具有重要的現實意義?!啊獭梢詫⒐鈱W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,又讓后者煥發了新的生機?!彼f。

  痛并快樂著的寂寞舞者

  這是一群寂寞的冰上舞者。仇旻團隊已在“冰刻”這塊試驗田深耕了八年。

  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。仇旻用夢想的力量,感召了他回國后招收的第一批博士研究生之一趙鼎,他們決定一起來挑戰這個課題?!安蛔隹登f大道上的跟隨者,而是獨辟蹊徑闖出一條新路,我想這是多數科研工作者更愿意的選擇?!壁w鼎說。

  仇旻和團隊成員在調試冰刻系統2.0。

  “冰刻”原理簡單明了,但是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。趙鼎為之奮斗了五年?!昂芏喙ぷ鞫际菑牧汩_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?!?/p>

  趙鼎畢業之后,師弟洪宇接力,為冰刻系統的研發繪制了幾十稿設計圖紙。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后研究之后,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并獲得高引用很難。

  “但這是一項令人激動的新技術?!背饡F說,“這樣的探索,有可能帶來很大的突破,也有可能什么都沒有,但這正是基礎研究的意義和樂趣所在?!倍斘覀儼岩暯欠糯蟮街袊圃斓谋尘跋?,在從制造業大國向制造業強國的轉變中,對以微納加工為代表的超精密加工的探索和創新,正是中國制造指向的未來。

  仇旻團隊部分成員合影。

  在仇旻團隊最新發表的文章結尾,他們用一種非??苹玫姆绞秸雇恕氨獭钡奈磥?。毫無疑問,未來圍繞“冰刻”的研究,將聚焦于那些傳統“光刻”能力無法企及的領域。受益于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干預生物樣本的能力,同時開辟出全新的學科交叉和研究方向。

  南美的蝴蝶扇動一下翅膀,引來大西洋的一場颶風。誰說沒有這樣的可能性呢?

  附:文中提及的相關科研論文

 ?。ò窗l布時間為序)

  Direct electron-beam patterning of monolayer MoS2 with ice

  2020年10月12日在線發表于Nanoscale

  文章鏈接:

  https://doi.org/10.1039/D0NR05948J

  Lithographic properties of amorphous solid water upon exposure to electrons

  2020年10月26日在線發表于Applied Surface Science

  文章鏈接:

  https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.148265

  Solvent-Free Nanofabrication Based on Ice-Assisted Electron-Beam Lithography

  2020年11月13日在線發表于Nano Letters

  文章鏈接:

  https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03809

作者:     責任編輯:張禹
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