原子層組裝技術實現多重納米結構的精準調控加工

　　利用各種納米加工技術制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（如電子束曝光、聚焦離子束直寫、陽極氧化和自組裝技術）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明顯的局限性，難以實現復雜多重納米結構在材料和形狀上的精確調控，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致力于納米制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5 nm金屬間隙結構陣列的晶界斷裂與應變加工（Adv. Mater. 2015, 27, 3002；Nanoscale. 2018,10,3073；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下，與N10組研究員顧長志合作，研發出一種基于軟模板的原子層組裝納米制造技術，解決了傳統剛性模板的問題，具有較好的靈活性、可擴展性和普適性，其強大的納米結構構造能力可實現各種材料雜化、異形復雜納米結構陣列的可控裁剪加工和功能器件應用。相關研究成果以Precise tailoring of multiple nanostructures based on atomic layer assembly via versatile soft-templates為題，發表在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在電子束抗蝕劑軟模板上曝光出設計的圖形，然后采用原子層沉積技術在軟膜板結構內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雜納米結構陣列（圖1）。這種基于軟膜板原子層組裝加工技術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點，不僅可制備各種空心/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(~1 nm)、超薄管壁（~8 nm）且一致性好的極端納米結構。基于該加工方法，研究人員還研發出一種多級管狀變徑納米結構的加工工藝，采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，完美制備出的各種變徑納米結構陣列（圖2），其在光學超構表面、多功能復用納米器件及生物領域具有潛在的應用價值。此外，利用該組裝加工技術，還可制備由多種材料雜化復合且多元有序可控的三維納米結構陣列（圖3），其在多功能調控的光子晶體、三維環柵晶體管等納米光電器件的制備中具有應用前景。

　　為了驗證原子層組裝加工方法的功能器件應用，研究人員利用該工藝，設計和制備出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，實現了對寬波段矢量光束的任意偏振調控（圖4）。同時，還設計制備出具有高深寬比和大比表面積的Al₂O₃/TiO₂復合的中空六角納米結構陣列，并與Pd納米顆粒相結合，基于異質界面二維電子氣原理，構筑了高性能的氫氣傳感器（圖5），獲得的傳感性能比傳統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的曝光和組裝技術以更強大的加工能力和潛能，在多重納米結構的可控加工中展現出較好的靈活性、可擴展性和普適性，提供了一種更簡單、更精準的加工復雜三維納米結構陣列技術策略，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出應用潛力。

　　研究工作獲得科學技術部國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、中科院項目的資助。

　　論文鏈接 

圖1.軟膜板原子層組裝加工方法實現多重特異性復雜納米結構陣列

圖2.原子層組裝技術制備多級變徑納米管狀結構陣列

圖3.原子層組裝技術加工的三種材料雜化復合的三維納米結構陣列

圖4.基于原子層組裝加工設計制備的全介質超表面實現高效寬波矢量光的任意調制

圖5.基于原子層組裝加工設計制備的氫氣傳感器及其快速高靈敏探測特性