冰刻研究取得新突破

在八分之一發(fā)絲粗細的光纖末端同時雕刻上百件“冰雕”

還記得兒時看過的冰雕展嗎？宮殿、動物、叢林，讓人不得不贊嘆匠人的高超技藝。

如果，這樣的冰雕是在僅有八分之一頭發(fā)絲粗細的光纖末端上，并且同時雕刻上百件，那又是怎樣的風景？

2020年，西湖大學仇旻研究團隊連續(xù)發(fā)表一系列研究成果，對小到微米甚至納米級別的“冰雕”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“原料進、成品出”為目標的“冰刻2.0”三維微納加工系統(tǒng)雛形初現。

“其實我們只是把傳統(tǒng)電子束光刻技術中的‘光刻膠換成了冰”，西湖大學光學工程講席教授、副校長仇旻說。但這一換，卻換出了一片全新的想象空間。

什么是“冰刻”

如何用巧克力粉在奶油蛋糕表面撒出“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。巧克力粉透過模具撒落到蛋糕上，“生日快樂”四個字就出現了。

類似的原理，也應用在傳統(tǒng)的電子束光刻技術中（微納加工的核心技術之一）。

假設我們要在硅晶片上加工納米尺度的金屬字，我們首先需要將一種叫“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(huán)境中將金屬字寫在光刻膠上，對應位置的光刻膠性質會發(fā)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(tǒng)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？零下140度左右的真空環(huán)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。”趙鼎說，光刻膠之所短恰恰是水之所長。“無常形”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，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(tǒng)光刻那樣，用化學試劑清洗一遍形成模具，從而規(guī)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?！壁w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。

“原料進、成品出”短短六個字，形象地描繪出他們?yōu)椤氨?.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(fā)集成度更高、功能性更強的光電器件具有重要的現實意義。“‘冰刻可以將光學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(fā)了新的生機?！?/p>

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8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(qū)。從瑞典皇家工學院回國后，仇旻與招收的第一批博士研究生之一趙鼎，一起來挑戰(zhàn)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做出的選擇?！壁w鼎說。

“冰刻”原理簡單明了，但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5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(yè)之后，師弟洪宇接力，為冰刻系統(tǒng)的研發(fā)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(xù)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(fā)周期很長，想在這個課題上很快發(fā)文章并獲得高引用很難。

“但這是一項令人激動的新技術，”仇旻說，“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圃斓谋尘跋拢趶闹圃鞓I(yè)大國向制造業(yè)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(chuàng)新，正是中國制造指向的未來。

在最新發(fā)表的文章結尾，仇旻團隊用一種非常科幻的方式展望了“冰刻”的未來——毫無疑問，未來圍繞“冰刻”的研究，將聚焦于那些傳統(tǒng)“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。