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冰薄膜里诞生的三维微纳结构

求是风采2018-12-09 15:35:52


进入零下130度附近的真空中,水蒸气有可能凝华成一层超级光滑的薄冰。科学家利用这种特殊的“冰”代替传统电子束曝光中的光刻胶,做出了微纳尺度的三维金属结构:金字塔、蘑菇、桥。这一新颖、简便的“冰刻”术有望在三维微纳加工中大显身手

 

2018年6月25日,浙江大学现代光学仪器国家重点实验室仇旻教授团队在Nano Letter杂志发表论文,介绍了用冰刻(iEBL)进行原位三维微纳加工的技术。共同第一作者为浙江大学博士生洪宇、博士后赵鼎,通讯作者为赵鼎和仇旻教授。仇旻教授现为西湖大学光学工程讲席教授。



纳米冰膜做掩膜板


如果要在一面白墙上写一行印刷体的字,通常的做法是先做一块镂空出字形的模板,在向墙面喷涂颜料时用掩模板遮挡,墙面上就留下了标准的字迹。来自宏观世界的灵感应用到微纳结构加工中,就是当前最常用的微纳加工方案之一——电子束曝光技术(EBL)。

 

在电子束曝光中,充当“掩模板”的是一种称为光刻胶的聚合物。经过电子束扫描,光刻胶的部分结构会发生变性,再经过化学试剂清洗,光刻胶便“显影”出特定的图案,为下一步进行金属沉积“画”出模板。“理论上电子束曝光的精度可以达到几个纳米,但是实际情况下很难达到这个值,仪器轻微的振动、外界磁场的干扰、操作人员的经验都会影响最终结果。”洪宇说。

 

随着微纳器件的小型化、精细化需求日益突出,科学家越来越感觉到传统电子束曝光的局限。赵鼎认为,局限之一在于,在传统的工艺需要“反复进出真空和非真空环境,过程中一点落灰就可能让样品报废。”局限还在于掩模板材料。光刻胶很难清洗,残留几乎不可避免,这会影响产品性能;如果利用超声波辅助清洗,那么又存在破坏结构的风险。

 

2011年初,仇旻教授受国家“千人计划”支持回国任教,深感改进微纳加工技术的紧迫性。“当时,我们国家在微纳加工领域已经有了一点积累,但很少有很强的加工平台,要加工一个微纳器件,需要在全国不同的实验室之间跑。”仇旻说,这些年我国很多地方都有了微纳加工平台,但基础的制造方法仍有很大的探索空间。

 

“如果我们用冰来做光刻胶,结果就会很不一样。”几年前,一支哈佛大学的研究团队提出用“冰刻”的设想,仇旻团队则希望将这一技术推进到三维微纳器件加工领域。“当电子束打在冰层上,被打到的冰就‘自行消失’了,留下一个三维结构模板。”这样便可大大缩短加工步骤。


图:冰刻基本步骤: (a)冷却:样品在SEM内降温 至-130℃;(b)冰层沉积:注入水蒸气在样品上凝华成冰层;(c)曝光:受电子束曝光的部分冰层被直接去除;(d)材料蒸镀:样品在真空中转移至镀膜腔;(e)剥离:取出样品放入异丙醇,融化冰层,留下结构。

 


全程“冷”链、原位加工


要支撑起这个巧妙的设想,必须要有相应的“生产线”,但没有现成的设备可供参考。团队成员开始着手设计搭建一条全新的“冰刻”装置。

 

在玉泉校区教三一楼的实验室里,安放着一台咖啡机模样的扫描电子显微镜。经过6年的改造,这已经不是一台普通的电子显微镜了,它已被“改”得面目全非,因为外挂了很多装备,“体型”比原来增大了两三倍。虽然洪宇仍然需要来回走动操作这台生产线,但比起之前要在不同的实验室辗转制备材料相比,这个三米左右的设备已经是一条浓缩的“生产线”


图:冰刻装置示意图

“开挂”了的扫描电镜,集制冷组件、注水组件、测温组件于一身,“我们能在这里进行样品上纳米冰膜的制备,并随时对冰膜形态进行观测,随后又可以通过操作外部转移臂,将样品移动到金属沉积腔。“这是一个全程‘冷链’的移动操作台。”洪宇介绍说,在着手改装之前,设计图纸就画了几十稿。“现有的超低温实验台进行的很多都是静态试验,而在这套设备中,我们需要样品台能在不同的加工舱里来回移动。”为此,光学专业的洪宇专门去恶补了很多机械和热学方面的知识。

 

“冰刻”术只需要五个步骤,冷却、冰层沉积、曝光、材料蒸镀和剥离。通过这台构思巧妙的仪器,仇旻团队成功制造出金字塔、蘑菇、桥等纳米三维造型。大大简化步骤的同时,还保证了作品的质量:分辨率达20nm,定位精度达到100nm以下。


图:微纳结构求是鹰,白色标尺为一微米

图:微纳结构“蘑菇”和“桥”,线段标尺为一微米


原子级平整的冰膜

洪宇告诉记者,相比光刻胶,冰对于电子束并不敏感。“这使得我可以在扫描电镜下几乎无损观看冰的状态。”他需要找到形成平整纳米冰膜的条件,在这个过程中,洪宇最怕看到的就是冰晶了。 

图:不同状态下水的结晶态


我们日常生活中看到的雪花、霜、冰块等水的固体状态,都是结晶态的冰。而洪宇要的,是一种无定形的冰。它内部的水分子应该像玻璃中的硅、氧原子等一样呈无序排列。“在扫描电镜下看,无定形的冰的表面是平整光滑的。”洪宇介绍,而结晶态的冰膜表面微观结构是凹凸不平的,有很多棱角,不利于电子束刻出“冰模板”。

 

更多的操作实验中发现,真空中零下130度的附近,恰好是水蒸气凝华成无定形冰的条件。“后来我们发现,这恰好是外太空的气候环境,行星彗星上的冰也是这种无定形状态。”仇旻说,在低温下,水因为压力等环境的因素不同,会呈现出不同的分子排列,而显示出近20种不同的微观结构。


平整的冰膜让电子束有助于对冰雕刻出更多精巧的冰模板。“我们还尝试在一根头发丝五百之一粗细的纳米银线上,安放了一排纳米银盘。”洪宇说。

图:在纳米银线上安放纳米银盘。线段标尺为300纳米。 

仇旻认为,利用冰刻免匀胶易剥离的特性,可将冰刻三维加工能力推广到非平面衬底或易损柔性材料,为基于量子点、纳米管、纳米线、石墨烯、光纤等材料的新型光电子器件创造更多可能。“这些独特优势使其成为三维微纳加工技术中的有力竞争者。”



文 | 涵冰

图 |课题组

编辑 | 涵冰

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b01857

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