利用各種納米加工技術(shù)制備的納米結(jié)構(gòu)和器件在微納光子學(xué)、微納電子學(xué)、生物學(xué)及納米能源等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，但同時也對納米加工的尺寸、形狀、空間排列和組裝等工藝控制提出了越來越高的要求。

現(xiàn)有的傳統(tǒng)納米加工技術(shù)（如電子束曝光、聚焦離子束直寫、陽極氧化和自組裝技術(shù)）通常在實現(xiàn)無序、雜化、不規(guī)則及變徑等特殊納米結(jié)構(gòu)的可控加工上具有明顯的局限性，難以實現(xiàn)復(fù)雜多重納米結(jié)構(gòu)在材料和形狀上的精確調(diào)控，因此，需要一種能力更強大的納米加工方法以滿足特殊納米結(jié)構(gòu)的極端加工要求。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心微加工實驗室團隊致力于納米制造新方法和原理及其光電器件應(yīng)用領(lǐng)域的研究。

在前期研發(fā)的亞5 nm金屬間隙結(jié)構(gòu)陣列的晶界斷裂與應(yīng)變加工（Adv. Mater. 2015， 27， 3002；Nanoscale. 2018，10，3073；Small. 2019， 15， 1804177）和納米折紙三維加工方法（Light： Sci. & Appl. 2016， 5， e16096；Adv. Mater. 2019， 31， 1802211；Nano Lett. 2019， 19， 3432；Laser Photonics Rev. 2020， 14， 1900179；Nat. Commun. 2021， 12， 1299）的基礎(chǔ)上。

該團隊的耿廣州（論文第一作者）在主任工程師李俊杰的指導(dǎo)下，與N10組研究員顧長志合作，研發(fā)出一種基于軟模板的原子層組裝納米制造技術(shù)，解決了傳統(tǒng)剛性模板的問題，具有較好的靈活性、可擴展性和普適性，其強大的納米結(jié)構(gòu)構(gòu)造能力可實現(xiàn)各種材料雜化、異形復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)陣列的可控裁剪加工和功能器件應(yīng)用。

相關(guān)研究成果以Precise tailoring of multiple nanostructures based on atomic layer assembly via versatile soft-templates為題，發(fā)表在Nano Today. 2021， 38，101145上，并被選作該期刊第39C卷的封面圖片（Front Cover）。

研究人員首先利用電子束曝光技術(shù)在電子束抗蝕劑軟模板上曝光出設(shè)計的圖形，然后采用原子層沉積技術(shù)在軟膜板結(jié)構(gòu)內(nèi)共形組裝各種功能材料（如TiO2、ZnO、Al2O3及HfO2等），再通過分立刻蝕工藝去除頂層及軟膜板，最終制備出具有各種特異性的大面積復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)陣列。

這種基于軟膜板原子層組裝加工技術(shù)兼具電子束曝光的高分辨率和原子層沉積精準可控及共形包覆的優(yōu)點，不僅可制備各種空心/實心的多重納米結(jié)構(gòu)，還實現(xiàn)在柔性襯底的加工，尤其可獲得超高深寬比（~80:1）、超高精度（~1 nm）、超薄管壁（~8 nm）且一致性好的極端納米結(jié)構(gòu)。

基于該加工方法，研究人員還研發(fā)出一種多級管狀變徑納米結(jié)構(gòu)的加工工藝，采用多層抗蝕劑的原子層組裝加工技術(shù)，克服了使用常規(guī)微納加工工藝的多次套刻、步驟繁瑣耗時、加工精度不高等問題，完美制備出的各種變徑納米結(jié)構(gòu)陣列，其在光學(xué)超構(gòu)表面、多功能復(fù)用納米器件及生物領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。

此外，利用該組裝加工技術(shù)，還可制備由多種材料雜化復(fù)合且多元有序可控的三維納米結(jié)構(gòu)陣列，其在多功能調(diào)控的光子晶體、三維環(huán)柵晶體管等納米光電器件的制備中具有應(yīng)用前景。

為了驗證原子層組裝加工方法的功能器件應(yīng)用，研究人員利用該工藝，設(shè)計和制備出具有各向異性結(jié)構(gòu)特點的全介質(zhì)高效光學(xué)超構(gòu)表面器件，通過高長徑比納米鰭狀結(jié)構(gòu)單元的不同角度旋轉(zhuǎn)及錯位排列，實現(xiàn)了對寬波段矢量光束的任意偏振調(diào)控。

同時，還設(shè)計制備出具有高深寬比和大比表面積的Al2O3/TiO2復(fù)合的中空六角納米結(jié)構(gòu)陣列，并與Pd納米顆粒相結(jié)合，基于異質(zhì)界面二維電子氣原理，構(gòu)筑了高性能的氫氣傳感器，獲得的傳感性能比傳統(tǒng)的平面氫氣傳感器具有較大提升，尤其在較低溫度所具備的高靈敏度和最短恢復(fù)時間，為高性能氫氣傳感器提供了理想方案。

這種原子層組裝納米加工方法賦予了傳統(tǒng)的曝光和組裝技術(shù)以更強大的加工能力和潛能，在多重納米結(jié)構(gòu)的可控加工中展現(xiàn)出較好的靈活性、可擴展性和普適性，提供了一種更簡單、更精準的加工復(fù)雜三維納米結(jié)構(gòu)陣列技術(shù)策略，在先進納米結(jié)構(gòu)和器件的多重設(shè)計、極端加工與功能實現(xiàn)過程中展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。

研究工作獲得科學(xué)技術(shù)部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、中科院項目的資助。

編輯：jq