利用各種納米加工技術(shù)實現(xiàn)多重納米結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控加工

利用各種納米加工技術(shù)制備的納米結(jié)構(gòu)和器件在微納光子學(xué)、微納電子學(xué)、生物學(xué)及納米能源等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，但同時也對納米加工的尺寸、形狀、空間排列和組裝等工藝控制提出了越來越高的要求。

現(xiàn)有的傳統(tǒng)納米加工技術(shù)（如電子束曝光、聚焦離子束直寫、陽極氧化和自組裝技術(shù)）通常在實現(xiàn)無序、雜化、不規(guī)則及變徑等特殊納米結(jié)構(gòu)的可控加工上具有明顯的局限性，難以實現(xiàn)復(fù)雜多重納米結(jié)構(gòu)在材料和形狀上的精確調(diào)控，因此，需要一種能力更強(qiáng)大的納米加工方法以滿足特殊納米結(jié)構(gòu)的極端加工要求。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心微加工實驗室團(tuán)隊致力于納米制造新方法和原理及其光電器件應(yīng)用領(lǐng)域的研究。

在前期研發(fā)的亞5 nm金屬間隙結(jié)構(gòu)陣列的晶界斷裂與應(yīng)變加工（Adv. Mater. 2015， 27， 3002；Nanoscale. 2018，10，3073；Small. 2019， 15， 1804177）和納米折紙三維加工方法（Light： Sci. & Appl. 2016， 5， e16096；Adv. Mater. 2019， 31， 1802211；Nano Lett. 2019， 19， 3432；Laser Photonics Rev. 2020， 14， 1900179；Nat. Commun. 2021， 12， 1299）的基礎(chǔ)上。

該團(tuán)隊的耿廣州（論文第一作者）在主任工程師李俊杰的指導(dǎo)下，與N10組研究員顧長志合作，研發(fā)出一種基于軟模板的原子層組裝納米制造技術(shù)，解決了傳統(tǒng)剛性模板的問題，具有較好的靈活性、可擴(kuò)展性和普適性，其強(qiáng)大的納米結(jié)構(gòu)構(gòu)造能力可實現(xiàn)各種材料雜化、異形復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)陣列的可控裁剪加工和功能器件應(yīng)用。

相關(guān)研究成果以Precise tailoring of multiple nanostructures based on atomic layer assembly via versatile soft-templates為題，發(fā)表在Nano Today. 2021， 38，101145上，并被選作該期刊第39C卷的封面圖片（Front Cover）。

研究人員首先利用電子束曝光技術(shù)在電子束抗蝕劑軟模板上曝光出設(shè)計的圖形，然后采用原子層沉積技術(shù)在軟膜板結(jié)構(gòu)內(nèi)共形組裝各種功能材料（如TiO2、ZnO、Al2O3及HfO2等），再通過分立刻蝕工藝去除頂層及軟膜板，最終制備出具有各種特異性的大面積復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)陣列。

這種基于軟膜板原子層組裝加工技術(shù)兼具電子束曝光的高分辨率和原子層沉積精準(zhǔn)可控及共形包覆的優(yōu)點，不僅可制備各種空心/實心的多重納米結(jié)構(gòu)，還實現(xiàn)在柔性襯底的加工，尤其可獲得超高深寬比（~80:1）、超高精度（~1 nm）、超薄管壁（~8 nm）且一致性好的極端納米結(jié)構(gòu)。

基于該加工方法，研究人員還研發(fā)出一種多級管狀變徑納米結(jié)構(gòu)的加工工藝，采用多層抗蝕劑的原子層組裝加工技術(shù)，克服了使用常規(guī)微納加工工藝的多次套刻、步驟繁瑣耗時、加工精度不高等問題，完美制備出的各種變徑納米結(jié)構(gòu)陣列，其在光學(xué)超構(gòu)表面、多功能復(fù)用納米器件及生物領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。

此外，利用該組裝加工技術(shù)，還可制備由多種材料雜化復(fù)合且多元有序可控的三維納米結(jié)構(gòu)陣列，其在多功能調(diào)控的光子晶體、三維環(huán)柵晶體管等納米光電器件的制備中具有應(yīng)用前景。

為了驗證原子層組裝加工方法的功能器件應(yīng)用，研究人員利用該工藝，設(shè)計和制備出具有各向異性結(jié)構(gòu)特點的全介質(zhì)高效光學(xué)超構(gòu)表面器件，通過高長徑比納米鰭狀結(jié)構(gòu)單元的不同角度旋轉(zhuǎn)及錯位排列，實現(xiàn)了對寬波段矢量光束的任意偏振調(diào)控。

同時，還設(shè)計制備出具有高深寬比和大比表面積的Al2O3/TiO2復(fù)合的中空六角納米結(jié)構(gòu)陣列，并與Pd納米顆粒相結(jié)合，基于異質(zhì)界面二維電子氣原理，構(gòu)筑了高性能的氫氣傳感器，獲得的傳感性能比傳統(tǒng)的平面氫氣傳感器具有較大提升，尤其在較低溫度所具備的高靈敏度和最短恢復(fù)時間，為高性能氫氣傳感器提供了理想方案。

這種原子層組裝納米加工方法賦予了傳統(tǒng)的曝光和組裝技術(shù)以更強(qiáng)大的加工能力和潛能，在多重納米結(jié)構(gòu)的可控加工中展現(xiàn)出較好的靈活性、可擴(kuò)展性和普適性，提供了一種更簡單、更精準(zhǔn)的加工復(fù)雜三維納米結(jié)構(gòu)陣列技術(shù)策略，在先進(jìn)納米結(jié)構(gòu)和器件的多重設(shè)計、極端加工與功能實現(xiàn)過程中展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。

研究工作獲得科學(xué)技術(shù)部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、中科院項目的資助。

編輯：jq