亞10 nm的結構在集成電路、光子芯片、微納傳感、光電芯片、納米器件等技術領域有著巨大的應用需求（圖1），這對微納加工的效率和精度提出了許多新的挑戰。激光直寫作為一種高性價比的光刻技術，可利用連續或脈沖激光在非真空的條件下實現無掩模快速刻寫，大大降低了器件制造成本，是一種有競爭力的加工技術。然而，長期以來激光直寫技術由于衍射極限以及鄰近效應的限制，很難做到納米尺度的超高精度加工。
近期，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張子旸研究員與國家納米中心劉前研究員合作，在Nano Letters上發表了題為“5 nm Nanogap Electrodes and Arrays by a Super-resolution Laser Lithography”的研究論文，報道了一種他們開發的新型5 nm超高精度激光光刻加工方法（DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00978）。
中科院蘇州納米所張子旸研究員團隊長期從事微納加工技術的開發、高速光通信半導體激光器、超快激光器等的研制工作（ACS Photonics 6, 1581, 2019; Light. Sci. Appl. 6,17170, 2018; ACS Photonics, 5, 1084，2018, Adv. Opt. Photon., 2, 201, 2010; 授權專利：106449897B）；國家納米中心劉前團隊長期從事微納加工方法及設備的創新研究，發展出了多種新型微納加工方法和技術（專著：Novel Optical Technologies for Nanofabrications; Nano Letters 17,1065,2017; Nature comm. 7,13742,2016; Adv. Mater. 24,3010,2012; 授權專利：美國US 2011/0111331 A1和日本J5558466）。
圖1 亞十納米圖形結構的應用領域和方向。
本研究中使用了研究團隊所開發的具有完全知識產權的激光直寫設備，利用了激光與物質的非線性相互作用來提高加工分辨率，其有別于傳統的縮短激光波長或增大數值孔徑的技術路徑；并打破了傳統激光直寫技術中受體材料為有機光刻膠的限制，可使用多種受體材料，極大地擴展了激光直寫的應用場景。本項工作中，研究團隊針對激光微納加工中所面臨的實際問題出發，很好地解決了高效和高精度之間的固有矛盾，開發的新型微納加工技術在集成電路、光子芯片、微機電系統等眾多微納加工領域展現了廣闊的應用前景。
本工作中，基于光熱反應機理，研究團隊 設計開發了一種新型三層堆疊薄膜結構。在無機鈦膜光刻膠上，采用雙激光束（波長為405 nm）交疊技術（見圖2a），通過精確控制能量密度及步長，實現了1/55衍射極限的突破（NA=0.9），達到了最小5 nm的特征線寬。 此外，研究團隊 還利用這種超分辨的激光直寫技術，實現了納米狹縫電極陣列結構的大規模制備（如圖2b-c）。相較而言，采用常規聚焦離子束刻寫，制備一個納米狹縫電極需要10到20分鐘，而利用本文開發的激光直寫技術，可以一小時制備約5×105個納米狹縫電極 ，展示了可用于大規模生產的潛力。
圖2 雙束交疊加工技術示意圖（左）和5 nm 狹縫電極電鏡圖（右）。
納米狹縫電極作為納米光電子器件的基本結構，有著極為廣泛的應用。在本研究中， 該團隊還利用發展的新技術制備出了納米狹縫電極為基本結構的多維度可調的電控納米SERS傳感器。 可在傳感器一維方向上對反應“熱點”完成定點可控，實現了類似邏輯門“0”、“1”信號的編碼和重復（圖3a-b），并可通過狹縫間距和外加電壓的改變，實現了對反應“熱點”強度的精確可調（圖3c-d），這對表面科學和痕量檢測等研究有著重要的意義。
圖3 （a）納米SERS傳感器的光學顯微鏡圖；（b）一維線性掃描下拉曼信號譜；（c）不同寬度下拉曼信號譜；（d）不同外加電壓下拉曼信號譜。
該論文第一作者為中科院蘇州納米所與中國科學技術大學聯合培養碩士研究生秦亮。中科院蘇州納米所與蘭州大學聯合培養的博士研究生黃源清和青島大學物理學院夏峰為文章的共同第一作者。張子旸研究員和劉前研究員為論文的通訊作者。本工作得到了國家重點研究計劃項目(2016YFA0200403)、國家自然科學基金(No.62875222、11874390、51971070)、Eu-FP7項目(No.247644)、中國博士后科學基金(2017M612182)的支持。
來源：蘇州納米所
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