利用各種納米加工技術製備的納米結構和器件在微納光子學、微納電子學、生物學及納米能源等領域發揮了非常重要作用,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。現有的傳統納米加工技術,例如電子束曝光、聚焦離子束直寫、陽極氧化和自組裝科技通常在實現無序、雜化、不規則及變徑等特殊納米結構的可控加工上具有非常明顯的局限性,難以實現複雜多重納米結構在資料和形狀上的精確調控,囙此需要一種能力更加强大的納米加工方法滿足特殊納米結構的極端加工要求。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心微加工實驗室團隊一直致力於納米製造新方法和原理及其光電器件應用領域的研究,在前期研發的亞5nm金屬間隙結構陣列的晶界斷裂與應變加工(Adv. Mater.2015,27,3002;Nanoscale.2018,103073;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)的基礎上,該團隊的耿廣州(論文第一作者)在李俊傑主任工程師的指導下,與N10組顧長志研究員合作,研發了一種基於軟範本的原子層組裝納米製造技術,突破了傳統剛性範本的局限性,具有很好的靈活性、可擴展性、普適性,其强大的納米結構構造能力可實現各種資料雜化、异形複雜納米結構陣列的可控裁剪加工和功能器件應用。該研究結果近日以“Precise tailoring of multiple nanostructures based on atomic layer assembly via versatile soft-templates”為題目,發表在Nano Today.2021,38101145(IF=16.9),並被選作該期刊第39C卷的封面圖片(Front Cover)。
研究團隊首先利用電子束曝光科技在電子束抗蝕劑軟範本上曝光出設計的圖形,然後採用原子層沉積科技在軟膜板結構內共形組裝各種功能資料(如TiO2,ZnO,Al2O3及HfO2等),再通過分立刻蝕工藝去除頂層及軟膜板,最終製備出具有各種特异性的大面積複雜納米結構陣列(圖1所示)。這種基於軟膜板原子層組裝加工技術兼具電子束曝光的高解析度和原子層沉積精准可控及共形包覆的優點,不僅可以製備各種空心/實心的多重納米結構,還實現在柔性襯底的加工,尤其可獲得超高深寬比(~80:1)、超高精度(~1nm)、超薄管壁(~8nm)且一致性非常好的極端納米結構。基於該加工方法,研究團隊還研發了一種多級管狀變徑納米結構的加工工藝,採用多層抗蝕劑的原子層組裝加工技術,克服了使用常規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,完美製備出的各種變徑納米結構陣列(圖2所示),其在光學超構表面、多功能複用納米器件及生物領域有著很好的潜在應用價值。此外,利用該組裝加工技術還可以製備由多種資料雜化複合且多元有序可控的三維納米結構陣列(圖3所示),其在多功能調控的光子晶體、三維環栅電晶體等納米光電器件的製備中具有非常好的應用前景。
為了驗證原子層組裝加工方法的功能器件應用,利用該工藝設計和製備了具有各向異性結構特點的全介質高效光學超構表面器件,通過高長徑比納米鰭狀結構單元的不同角度旋轉及錯位排列實現了對寬波段向量光束的任意偏振調控(圖4所示)。同時,還設計製備了具有高深寬比和大比表面積的Al2O3/TiO2複合的中空六角納米結構陣列,並與Pd納米顆粒相結合,基於異質介面二維電子氣原理構築了高性能的氫氣感測器(圖5所示),獲得的傳感效能比傳統的平面氫氣感測器具有非常大的提升,尤其在較低溫度所具備的高靈敏度和最短恢復時間,為高性能氫氣感測器提供了理想的方案。
這種原子層組裝納米加工方法賦予了傳統的曝光和組裝科技以更强大的加工能力和潜能,在多重納米結構的可控加工中展現了非常好的靈活性、可擴展性和普適性,提供了一種更簡單、更精准的加工複雜三維納米結構陣列科技策略,在先進納米結構和器件的多重設計、極端加工與功能實現過程中展現了巨大的應用潜力。
該工作得到了科技部國家重點研發計畫(2016YFA02008002016YFA0200400)、國家自然科學基金委(12074420,61888102,11674387,61905274))以及中國科學院項目(QYZDJ- SSW-SLH042)的資助。
文章連結:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013221000700
文章DOI:https://doi.org/10.1016/j.nantod.2021.101145
圖1軟膜板原子層組裝加工方法實現多重特异性複雜納米結構陣列
圖2原子層組裝科技製備多級變徑納米管狀結構陣列。
圖3原子層組裝科技加工的三種資料雜化複合的三維納米結構陣列
圖4基於原子層組裝加工設計製備的全介質超表面實現高效寬波向量光的任意調製。
圖5基於原子層組裝加工設計製備的氫氣感測器及其快速高靈敏探測特性。
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