三維納米結構加工與應用研究取得新進展

三維納米結構既可具有納米材料與結構所賦予的量子效應、尺寸效應與表面效應等新奇物性，又可通過三維幾何結構實現電聲子輸運與耦合、自旋極化、激子行為、波陣面調控等物性的協同調制，獲得平面器件不具有的功能。目前，三維納米結構的可控加工方法明顯不足，阻礙了三維納米器件的發展，并制約著高端納米產業化技術的形成。為獲得性能優異的三維納米結構與器件，國內外展開了多種三維納米加工技術研究，主要包括自組裝生長、納米印刷、飛秒激光加工以及載能粒子束加工技術等，但如何實現三維空間的可控加工和三維納米結構的功能化，仍是具有極大挑戰性的課題。

近年來，中國科學院物理研究所/北京凝聚態國家實驗室(籌)微加工實驗室的工程師劉哲、副主任工程師李無瑕、主任工程師李俊杰和博士生崔阿娟及研究員顧長志等人系統地開展了基于聚焦離子束技術的三維納米結構與器件的可控加工技術研究，并取得了一系列的進展。他們發明了一種基于聚焦離子束的應變誘導三維納米結構加工新方法，即利用離子束輻照產生的注入效應以及由入射粒子能量轉換與傳遞產生的溫度效應，在納米材料中產生局域化表面再構、缺陷、晶體結構變化，實現了三維空間誘導的納米材料形變，以此構建三維功能納米結構與器件。這種基于聚焦離子束的應變加工方法可兼有高精度、多維度、跨尺度、可設計以及可控等特點。他們首先利用這一技術構筑了一維金屬W的自支撐納米間隙、納米接觸以及納米多肢體等多種三維納米結構，證實了這些結構可具有高達5.2K的超導臨界轉變溫度以及較好的機械性能與熱穩定性。之后，他們利用這一技術實現了自支撐鉑納米線沿徑向的組分與微結構的非均勻生長，并通過熱致應變規律的探索與量化處理，掌握了形變的可控手段，獲得了硅錐頂部的自支撐納米點接觸以及將ZnO雙層納米浴盆進行固定的微籠結構，顯示了該方法在三維納米電學、光學、磁學以及生物分子學等領域的應用潛力。

最近，他們與物理所光物理實驗室的副研究員李家方、研究員李志遠，英國索爾福德大學教授沈鐵漢以及同濟大學教授李宏強等合作，將聚焦離子束應變誘導三維納米結構的加工方法推廣到了二維薄膜材料體系，發展了一種基于離子束輻照的折疊應變加工方法，可將平面內的結構多次有序折疊，實現納米結構單元在空間、尺寸、周期與幾何形貌可調制的大面積可控加工。該方法可在金屬、介質以及復合納米薄膜上進行三維結構的構建。利用這一技術，他們設計并構建了一系列基于金納米薄膜的孔洞-垂直開口諧振環(MH-VSRR)三維等離激元微納結構。這些結構在紅外-近紅外波段具有明顯的異常法諾共振現象，并可用于高靈敏度的光折射率傳感，在近紅外波段的靈敏度高達2 040 nm/RIU，是目前該波段同類結構已報道的最高值。顯示了這種三維納米加工技術在制作高靈敏度的納米光學器件以及生物傳感的應用前景【Light:Science＆ Applications，2015，4，e308】。