冰刻研究新突破：在八分之一发丝粗的光纤末端雕刻上百件“冰雕”

过去两个月，西湖大学仇旻研究团队，在《纳米快报》《纳米尺度》《应用表面科学》等期刊连续发表一系列研究成果，对小到微米甚至纳米级别的“冰雕”游刃有余，从精确定位到精准控制雕刻力度，再到以“冰雕”为模具制作结构、加工器件，一套以“原料进、成品出”为目标的“冰刻2.0”三维微纳加工系统雏形初现。

仇旻团队部分成员合影。西湖大学供图

“其实我们只是把传统电子束光刻技术中的‘光刻胶’换成了冰”，西湖大学光学工程讲席教授、副校长仇旻说。但这一换，却换出了一片全新的想象空间。

如何用巧克力粉在奶油蛋糕表面撒出“生日快乐”四个字？你需要一片模具，模具上有镂空的“生日快乐”字样。巧克力粉透过模具撒落到蛋糕上，“生日快乐”四个字就出现了。

类似的原理，也应用在传统的电子束光刻技术中（微纳加工的核心技术之一）。

假设我们要在硅晶片上加工纳米尺度的金属字，我们首先需要将一种叫“光刻胶”的材料均匀地涂抹在晶片表面；用电子束，相当于肉眼看不见的“雕刻刀”，在真空环境中将金属字写在光刻胶上，对应位置的光刻胶性质会发生变化；再用化学试剂洗去改性部分的胶，一片“镂空”的光刻胶模具就做好了；接下来便是将金属“填”进镂空位置，使之“长”在晶片表面；最后再用化学试剂将所有光刻胶清洗干净，去除废料后只留下金属字。

可见，光刻胶是微纳加工过程中非常关键的材料。所以有人说，中国要制造芯片，光有光刻机还不够，还得打破国外对“光刻胶”的垄断。

从冰层沉积开始到吹除废料结束，加工全程不涉及化学溶剂。西湖大学供图

但这样的“光刻胶”有局限性。

“在样品上涂抹光刻胶，这是传统光刻加工的第一步。这个动作有点像摊鸡蛋饼，如果铁板不平整，饼就摊不好。同时，被抹胶的地方，面积不能太小，否则胶不容易摊开摊匀；材质不能过脆，否则容易破裂。”仇旻实验室助理研究员赵鼎说。

那么，把光刻胶变成水冰呢？

零下140度左右的真空环境，能让水蒸气凝华成无定形冰。

“我们把样品放入真空设备后，先给样品降温再注入水蒸气，水蒸气就会在样品上凝华成薄薄的冰层。”赵鼎说，光刻胶之所短恰恰是水之所长。

“无常形”的水蒸气可以包裹任意形状的表面，哪怕是极小的样品也没有问题；水蒸气的轻若无物，也使得在脆弱材料上加工变成可能。对应“光刻胶”，他们给这层水冰起名“冰胶”，给冰胶参与的电子束光刻技术起名“冰刻”。

实际上，一旦将光刻胶换成了冰胶，还能够极大地简化加工流程。

“当电子束打在冰层上，被打到的冰‘自行消失’，因为电子束将水分解气化，这样就能直接雕刻出冰模板，不需要像传统光刻那样，用化学试剂清洗一遍形成模具，从而规避了洗胶带来的污染，以及难以洗净的光刻胶残留导致良品率低等问题”，赵鼎解释说。

同样道理，“光刻”的最后一步，需要再次用化学试剂洗胶，而“冰刻”只需要让冰融化或升华成水蒸气即可，仿佛这层冰胶从来不曾存在过一样。

“原料进、成品出”短短六个字，形象地描绘出他们为冰刻2.0制定的远大目标——一进一出，送进去的是原材料，拿出来的是成品器件。

仇旻说，从本质上讲，“冰刻”仍属于电子束光刻。但它作为一种绿色且“温和”的加工手段，尤其适用于非平面衬底或者易损柔性材料，甚至生物材料。

复旦大学物理系主任、超构材料与超构表面专家周磊教授表示，这项工作对于研发集成度更高、功能性更强的光电器件具有重要的现实意义。

“‘冰刻’可以将光学前沿的超构表面与已经广泛应用的光纤有机结合，既给前者找到了合适的落地平台，又让后者焕发了新的生机。”

这是一群寂寞的“冰上舞者”。仇旻团队已在“冰刻”这块试验田深耕了8年。

最初，他了解到哈佛大学的一支研究团队演示了面向生命科学领域的“冰刻”加工雏形，这给了他灵感，让他看到了这项技术在微纳加工领域的巨大潜力。

这是一个无人区。从瑞典皇家工学院回国后，仇旻与招收的第一批博士研究生之一赵鼎，一起来挑战这个课题。“不做康庄大道上的跟随者，而是独辟蹊径闯出一条新路，我想这是多数科研工作者更愿意做出的选择。”赵鼎说。

“冰刻”原理简单明了，但仪器的实现则异常艰辛。团队需要对原有的电子束光刻设备进行大量改造。赵鼎为之奋斗了5年。“很多工作都是从零开始，比如注入水蒸气，说起来很简单，实际上经过了一次次实验，温度要多低、注入口和样品的距离要多远、注入量和速率要多大……都得一一验证。”

赵鼎毕业之后，师弟洪宇接力，为冰刻系统的研发绘制了几十稿设计图纸。因为没有现成的可以购买，多数情况下必须自己动手，他恶补了很多真空技术和热学方面的知识。

而今，在国外完成两年博士后研究之后，赵鼎又回到仇旻实验室，继续这场“冰刻”长跑。

事实上，全世界做冰刻的实验室，目前满打满算只有两个，一个在中国，一个在丹麦。显然，这不是一个热门的研究方向，且研发周期很长，想在这个课题上很快发文章并获得高引用很难。

“但这是一项令人激动的新技术。”仇旻说，“这样的探索，有可能带来很大的突破，也有可能什么都没有，但这正是基础研究的意义和乐趣所在。”

而当我们把视角放大到中国制造的背景下，在从制造业大国向制造业强国的转变中，对以微纳加工为代表的超精密加工的探索和创新，正是中国制造指向的未来。

在薄至300纳米的冰胶上刻画图案，图中最小的微型雪花直径仅1.4微米，所有比例尺长度均为1微米。西湖大学供图

在最新发表的文章结尾，仇旻团队用一种非常科幻的方式展望了“冰刻”的未来——毫无疑问，未来围绕“冰刻”的研究，将聚焦于那些传统“光刻”能力无法企及的领域。

受益于水这种物质得天独厚的生物相容性，在生物样本上“冰刻”光子波导或电子电路有望得以实现。而这将史无前例地提高人为干预生物样本的能力，同时开辟出全新的学科交叉和研究方向。

来源：光明日报

作者：光明明日报记者 晋浩天，光明日报通讯员 冯怡、俞熙娜