在八分之一發(fā)絲粗細(xì)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(xì)的光纖末端上，并且同時雕刻上百件，那又是怎樣的風(fēng)景?

過去兩個月，西湖大學(xué)仇旻研究團(tuán)隊，在《納米快報》《納米尺度》《應(yīng)用表面科學(xué)》等期刊連續(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(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“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”，西湖大學(xué)光學(xué)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(xiàn)了。

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

假設(shè)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(dāng)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(yīng)位置的光刻膠性質(zhì)會發(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;接下來便是將金屬“填”進(jìn)鏤空位置，使之“長”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。

可見，光刻膠是微納加工過程中非常關(guān)鍵的材料。所以有人說，中國要制造芯片，光有光刻機(jī)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(diǎn)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(zhì)不能過脆，否則容易破裂。”仇旻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(shè)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(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(dāng)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(xué)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(dǎo)致良品率低等問題”，趙鼎解釋說。

同樣道理，“光刻”的最后一步，需要再次用化學(xué)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(jìn)、成品出”短短六個字，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，拿出來的是成品器件。仇旻說，從本質(zhì)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(fù)旦大學(xué)物理系主任、超構(gòu)材料與超構(gòu)表面專家周磊教授表示，這項工作對于研發(fā)集成度更高、功能性更強(qiáng)的光電器件具有重要的現(xiàn)實意義。“‘冰刻’可以將光學(xué)前沿的超構(gòu)表面與已經(jīng)廣泛應(yīng)用的光纖有機(jī)結(jié)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(jī)。”

痛并快樂著的寂寞“舞者”

這是一群寂寞的“冰上舞者”。仇旻團(tuán)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(xué)的一支研究團(tuán)隊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，讓他看到了這項技術(shù)在微納加工領(lǐng)域的巨大潛力。

這是一個無人區(qū)。從瑞典皇家工學(xué)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。“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)科研工作者更愿意做出的選擇。”趙鼎說。

“冰刻”原理簡單明了，但儀器的實現(xiàn)則異常艱辛。團(tuán)隊需要對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。“很多工作都是從零開始，比如注入水蒸氣，說起來很簡單，實際上經(jīng)過了一次次實驗，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)計圖紙。因為沒有現(xiàn)成的可以購買，多數(shù)情況下必須自己動手，他惡補(bǔ)了很多真空技術(shù)和熱學(xué)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(shù)。”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(chǔ)研究的意義和樂趣所在。”而當(dāng)我們把視角放大到中國制造的背景下，在從制造業(yè)大國向制造業(yè)強(qiáng)國的轉(zhuǎn)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(jié)尾，仇旻團(tuán)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(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現(xiàn)。而這將史無前例地提高人為干預(yù)生物樣本的能力，同時開辟出全新的學(xué)科交叉和研究方向。