冰刻研究取得新突破

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  在八分之一发丝粗细的光纤末端同时雕刻上百件“冰雕”

  还记得儿时看过的冰雕展吗?宫殿、动物、丛林,让人不得不赞叹匠人的高超技艺。

  如果,这样的冰雕是在仅有八分之一头发丝粗细的光纤末端上,并且同时雕刻上百件,那又是怎样的风景?

  过去两个月,西湖大学仇旻研究团队,在《纳米快报》《纳米尺度》《应用表面科学》等期刊连续发表一系列研究成果,对小到微米甚至纳米级别的“冰雕”游刃有余,从精确定位到精准控制雕刻力度,再到以“冰雕”为模具制作结构、加工器件,一套以“原料进、成品出”为目标的“冰刻2.0”三维微纳加工系统雏形初现。

  “其实我们只是把传统电子束光刻技术中的‘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表面撒出“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”四个字就出现了。

  类似的原理,也应用在传统的电子束光刻技术中(微纳加工的核心技术之一)。

  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”的材料均匀地涂抹在晶片表面;用电子束,相当于肉眼看不见的“雕刻刀”,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质会发生变化;再用化学试剂洗去改性部分的胶,一片“镂空”的光刻胶模具就做好了;接下来便是将金属“填”进镂空位置,使之“长”在晶片表面;最后再用化学试剂将所有光刻胶清洗干净,去除废料后只留下金属字。

  可见,光刻胶是微纳加工过程中非常关键的材料。所以有人说,中国要制造芯片,光有光刻机还不够,还得打破国外对“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,如果铁板不平整,饼就摊不好。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,否则容易破裂。”仇旻实验室助理研究员赵鼎说。

  那么,把光刻胶变成水冰呢?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设备后,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”的水蒸气可以包裹任意形状的表面,哪怕是极小的样品也没有问题;水蒸气的轻若无物,也使得在脆弱材料上加工变成可能。对应“光刻胶”,他们给这层水冰起名“冰胶”,给冰胶参与的电子束光刻技术起名“冰刻”。

  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‘自行消失’,因为电子束将水分解气化,这样就能直接雕刻出冰模板,不需要像传统光刻那样,用化学试剂清洗一遍形成模具,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”,赵鼎解释说。

  同样道理,“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,仿佛这层冰胶从来不曾存在过一样。

  “原料进、成品出”短短六个字,形象地描绘出他们为冰刻2.0制定的远大目标——一进一出,送进去的是原材料,拿出来的是成品器件。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“温和”的加工手段,尤其适用于非平面衬底或者易损柔性材料,甚至生物材料。

  复旦大学物理系主任、超构材料与超构表面专家周磊教授表示,这项工作对于研发集成度更高、功能性更强的光电器件具有重要的现实意义。“‘冰刻’可以将光学前沿的超构表面与已经广泛应用的光纤有机结合,既给前者找到了合适的落地平台,又让后者焕发了新的生机。”

  痛并快乐着的寂寞“舞者”

  这是一群寂寞的“冰上舞者”。仇旻团队已在“冰刻”这块试验田深耕了8年。

  最初,他了解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,让他看到了这项技术在微纳加工领域的巨大潜力。

  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。“不做康庄大道上的跟随者,而是独辟蹊径闯出一条新路,我想这是多数科研工作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设备进行大量改造。赵鼎为之奋斗了5年。“很多工作都是从零开始,比如注入水蒸气,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……都得一一验证。”

  赵鼎毕业之后,师弟洪宇接力,为冰刻系统的研发绘制了几十稿设计图纸。因为没有现成的可以购买,多数情况下必须自己动手,他恶补了很多真空技术和热学方面的知识。而今,在国外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,目前满打满算只有两个,一个在中国,一个在丹麦。显然,这不是一个热门的研究方向,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技术。”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乐趣所在。”而当我们把视角放大到中国制造的背景下,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精密加工的探索和创新,正是中国制造指向的未来。

  在最新发表的文章结尾,仇旻团队用一种非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,同时开辟出全新的学科交叉和研究方向。

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