還記得兒時(shí)看過(guò)的冰雕展嗎？美輪美奐的宮殿、動(dòng)物、叢林，讓人不得不贊嘆匠人的鬼斧神工。如果，這樣的冰雕是發(fā)生在僅有頭發(fā)1/8粗細(xì)的光纖末端，并且不止雕刻一件作品，而是同時(shí)雕刻百件以上，那又是怎樣的風(fēng)景？

過(guò)去兩個(gè)月，西湖大學(xué)仇旻研究團(tuán)隊(duì)在《納米快報(bào)》《納米尺度》《應(yīng)用表面科學(xué)》等期刊上連續(xù)發(fā)表一系列研究成果，雕刻小到微米甚至納米級(jí)別的“冰雕”游刃有余，從精確定位到精準(zhǔn)控制雕刻力度，再到以“冰雕”為模具制作結(jié)構(gòu)、加工器件，一套以“wafer in， device out”（原料進(jìn)，成品出）為目標(biāo)的“冰刻2.0”三維微納加工系統(tǒng)雛形初現(xiàn)。

“其實(shí)我們只是把傳統(tǒng)電子束光刻技術(shù)中的‘光刻膠’換成了冰?！背饡F說(shuō)。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(lè)”四個(gè)字？你需要一片模具，模具上有鏤空的“生日快樂(lè)”字樣。巧克力粉透過(guò)模具撒到蛋糕上，“生日快樂(lè)”四個(gè)字就出現(xiàn)了。

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

假設(shè)我們要在硅晶片上加工四個(gè)納米尺度的金屬字“西湖大學(xué)”，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(dāng)于肉眼看不見(jiàn)的“雕刻刀”）在真空環(huán)境中將“西湖大學(xué)”四個(gè)字寫在光刻膠上，對(duì)應(yīng)位置的光刻膠性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化；

再用化學(xué)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(lái)便是將金屬“填”進(jìn)鏤空位置，使之“長(zhǎng)”在晶片表面；

最后再用化學(xué)試劑將所有光刻膠清洗干凈，去除廢料后只留下金屬字。

光刻膠是微納加工過(guò)程中非常關(guān)鍵的材料。有人說(shuō)，中國(guó)要制造芯片，光有光刻機(jī)還不夠，還得打破國(guó)外對(duì)“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(gè)動(dòng)作有點(diǎn)像攤雞蛋餅，如果鐵板不平整，餅就攤不好。同時(shí)，被抹膠的地方，面積不能太小，否則膠不容易攤開(kāi)攤勻；材質(zhì)不能過(guò)脆，否則容易破裂?！背饡F實(shí)驗(yàn)室助理研究員趙鼎說(shuō)。

那么，把光刻膠變成水冰呢？

《孫子兵法》中說(shuō)：“兵無(wú)常勢(shì)，水無(wú)常形?！绷阆?40攝氏度左右的真空環(huán)境，能讓水蒸氣凝華成無(wú)定形冰。“無(wú)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(méi)有問(wèn)題；水蒸氣輕若無(wú)物，使在脆弱材料上加工變成可能。對(duì)應(yīng)“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(shù)起名“冰刻”。

實(shí)際上，一旦將光刻膠換成了冰膠，還能夠極大地簡(jiǎn)化加工流程，規(guī)避洗膠帶來(lái)的污染，以及難以洗凈的光刻膠殘留導(dǎo)致良品率低等問(wèn)題。“冰刻”只需要讓冰融化或升華成水蒸氣即可，仿佛這層冰膠不曾存在過(guò)一樣。

從原材料到成品一氣呵成

2012年，仇旻從瑞典皇家理工學(xué)院回國(guó)任教后不久，就開(kāi)啟了“冰刻”研究計(jì)劃。經(jīng)過(guò)六年的努力，他和團(tuán)隊(duì)將“冰刻”從紙上談兵變成現(xiàn)實(shí)，完成了國(guó)內(nèi)首臺(tái)“冰刻”系統(tǒng)的研發(fā)。

來(lái)到西湖大學(xué)后，仇旻全力研發(fā)功能更加強(qiáng)大的“冰刻系統(tǒng)2.0”。他們希望創(chuàng)造出一套全流程一體化、自動(dòng)化的微納加工系統(tǒng)——從冰膠形成開(kāi)始，到模具加工、材料生長(zhǎng)、器件性能表征，一氣呵成。

研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)從精準(zhǔn)定位、雕刻力度等多個(gè)維度入手，不斷提升“冰刻”技術(shù)。

仇旻實(shí)驗(yàn)室2019級(jí)博士研究生吳珊，找到了控制“雕刻力度”的方法。她通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，冰膠去除厚度與電子作用強(qiáng)度呈線性關(guān)系。

也就是說(shuō)，“刻刀”在冰上鑿刻時(shí)，下刀的力越大，刻出的槽就越深，并且下刀的力度和槽的深度能直接按比例推算。

而使用光刻膠，電子與膠厚之間的關(guān)系要復(fù)雜得多，電子束“雕刻”時(shí)力道控制的精準(zhǔn)性和靈活性就會(huì)受到約束。

仇旻實(shí)驗(yàn)室訪問(wèn)學(xué)生洪宇和其他團(tuán)隊(duì)成員則發(fā)現(xiàn)，不費(fèi)“吹灰之力”就可以清除加工廢料。

他們利用冰刻技術(shù)，不僅在光纖端面（光纖“頭部”的橫截面），而且在光纖曲面（光纖“身體”表面）上加工制作出各種精巧的微納結(jié)構(gòu)。

尤其在最后清除廢料環(huán)節(jié)，他們發(fā)現(xiàn)樣品在真空中從低溫升回室溫后，多余的金屬材料自然卷曲并與樣品分離，可被輕易地吹除。

除此之外，利用冰在電子作用下與材料發(fā)生的獨(dú)特反應(yīng)，“我們可以將只有一個(gè)原子層厚度的二維材料‘冰刻’成任意形狀，通過(guò)人工構(gòu)造的方式使材料產(chǎn)生奇特的性質(zhì)”。仇旻實(shí)驗(yàn)室2019級(jí)博士研究生姚光南目前正在開(kāi)展這方面的研究。

“Wafer in， device out。”短短四個(gè)單詞，形象地描繪出他們?yōu)楸?.0制定的遠(yuǎn)大目標(biāo)—— 一進(jìn)一出，送進(jìn)去的是原材料，拿出來(lái)的是成品器件。

復(fù)旦大學(xué)物理系主任、超構(gòu)材料與超構(gòu)表面專家周磊表示，這項(xiàng)工作對(duì)于研發(fā)集成度更高、功能性更強(qiáng)的光電器件具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

寂寞的冰上舞者

這是一群寂寞的冰上舞者。仇旻團(tuán)隊(duì)已在“冰刻”這塊試驗(yàn)田深耕了8年。

最初，他了解到哈佛大學(xué)的一支研究團(tuán)隊(duì)演示了面向生命科學(xué)領(lǐng)域的“冰刻”加工雛形，這給了他靈感，讓他看到了這項(xiàng)技術(shù)在微納加工領(lǐng)域的巨大潛力。

這是一個(gè)無(wú)人區(qū)。仇旻用夢(mèng)想的力量，吸引了他回國(guó)后招收的第一批博士研究生之一趙鼎，他們決定一起來(lái)挑戰(zhàn)這個(gè)課題。“不做康莊大道上的跟隨者，而是獨(dú)辟蹊徑闖出一條新路，我想這是多數(shù)科研工作者更愿意選擇的?！壁w鼎說(shuō)。

“冰刻”原理簡(jiǎn)單明了，但是儀器的實(shí)現(xiàn)則異常艱辛。團(tuán)隊(duì)需要對(duì)原有的電子束光刻設(shè)備進(jìn)行大量改造。趙鼎為之奮斗了5年?！昂芏喙ぷ鞫际菑牧汩_(kāi)始，比如注入水蒸氣，說(shuō)起來(lái)很簡(jiǎn)單，實(shí)際上經(jīng)過(guò)了一次次實(shí)驗(yàn)，溫度要多低、注入口和樣品的距離要多遠(yuǎn)、注入量和速率要多大……都得一 一驗(yàn)證。”

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(shè)計(jì)圖紙。因?yàn)闆](méi)有現(xiàn)成的可以購(gòu)買，多數(shù)情況下必須自己動(dòng)手，他惡補(bǔ)了很多真空技術(shù)和熱學(xué)方面的知識(shí)。

而今，在國(guó)外完成兩年博士后研究之后，趙鼎又回到仇旻實(shí)驗(yàn)室，繼續(xù)這場(chǎng)“冰刻”長(zhǎng)跑。

事實(shí)上，全世界做冰刻的實(shí)驗(yàn)室，目前滿打滿算只有兩個(gè)，一個(gè)在中國(guó)，一個(gè)在丹麥。顯然，這不是一個(gè)熱門的研究方向，且研發(fā)周期很長(zhǎng)，想在這個(gè)課題上很快發(fā)文章并獲得高引用很難。

“但這是一項(xiàng)令人激動(dòng)的新技術(shù)，對(duì)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(guó)制造指向的未來(lái)?！背饡F說(shuō)。

在仇旻團(tuán)隊(duì)最新發(fā)表的文章結(jié)尾，他們用一種非常科幻的方式展望了“冰刻”的未來(lái)。毫無(wú)疑問(wèn)，未來(lái)圍繞“冰刻”的研究，將聚焦于傳統(tǒng)“光刻”能力無(wú)法企及的領(lǐng)域。

受益于水這種物質(zhì)得天獨(dú)厚的生物相容性，在生物樣本上“冰刻”光子波導(dǎo)或電子電路有望得以實(shí)現(xiàn)。

而這將史無(wú)前例地提高人為干預(yù)生物樣本的能力，同時(shí)開(kāi)辟出全新的學(xué)科交叉和研究方向。

相關(guān)論文信息：

https：//doi.org/10.1039/D0NR05948J

https：//doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.148265

https：//doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03809
責(zé)編AJX