在納米尺度做冰雕，西湖大學“冰刻2.0”首秀
時值冬季，各種美輪美奐的冰雕又要出場，西湖大學科研團隊展示了一種“冰雕”絕活兒。他們的“冰雕”，小到微米甚至納米級別。
記者12月9日從西湖大學獲悉，近兩個月來，西湖大學納米光子學與儀器技術實驗室負責人仇�F和他的研究團隊在《納米快報》《納米尺度》《應用表面科學》等國際知名期刊上，連續發表了一系列關於冰刻的研究成果。
在微米甚至納米級別的“冰雕”上，該研究團隊已經可以實現從精確定位到精準控制雕刻力度，再到以“冰雕”爲模具製作結構、加工器件――一種新型三維微納加工系統雛形初現。
在傳統的電子束光刻技術中，通常需要將一種叫做光刻膠的材料均勻地塗抹在晶片表面。
電子束作用在光刻膠上，會改變相應位置的光刻膠性質。隨後再進行洗膠、填金屬、再洗膠等一系列流程。
可以看出，光刻膠是微納加工過程中非常關鍵的材料，不過，光刻膠也存在一定侷限性。
“在樣品上塗抹光刻膠，這是傳統光刻加工的第一步。這個動作有點像攤雞蛋餅，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；材質不能過脆，否則容易破裂。”仇�F實驗室助理研究員趙鼎說。
如果把光刻膠換成薄薄的一層冰，會是什麼樣的效果？
“我們把樣品放入真空設備後，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。
因爲，在零下140攝氏度左右的真空環境中，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，也使在脆弱材料上加工變成可能。
對應光刻膠，科研人員給這層水冰起名“冰膠”，給冰膠參與的電子束光刻技術起名“冰刻”。
趙鼎介紹，一旦將光刻膠換成冰膠，還能夠極大地簡化加工流程。因爲冰膠可以通過直接被電子束雕刻、融化或氣化即可去除，所以加工過程中，無需用化學試劑清洗光刻膠，從而規避了洗膠帶來的污染，以及難以洗淨的光刻膠殘留導致良品率低等問題。
據介紹，仇�F和他的團隊曾在2018年完成了國內首臺“冰刻”系統的研發。加入西湖大學後，仇�F帶領科研團隊繼續研發功能更加強大的“冰刻2.0”系統。
在最近的研究中，研究團隊從多個維度入手，不斷提升冰刻技術，並取得一系列新進展。
一方面，該研究團隊掌握瞭如何在冰刻中精準定位。他們發現，當加工多層式三維立體結構時，可以先使用低強度的電子束，精確定位後再加大強度，正式開始“鏤空”作業。另一方面，實驗室成員還找到了控制冰刻力度的方法。實驗顯示，冰膠去除厚度與電子作用強度呈線性關係。
“‘冰刻1.0’系統的儀器體積較小、功能單一，適用於簡單微納結構的製作……當前‘冰刻2.0’的研發纔剛剛開始，但系統的硬件設施已初具雛形。”趙鼎告訴科技日報記者，該團隊的目標是實現“原料進，成品出”的一站式微納加工。
從全球範圍來看，冰刻技術的研發仍處於起步階段。這樣的技術，將來有哪些用場？
在仇�F看來，從本質上講，“冰刻”仍屬於電子束光刻。但它作爲一種綠色且“溫和”的加工手段，尤其適用於非平面襯底或者易損柔性材料，甚至生物材料。
“在電子束光刻這個框架體系下，冰膠與傳統光刻膠之間更像是互補關係。傳統光刻膠工藝成熟，特別適合在大面積平整襯底上加工，冰膠則在微小的、不規則的或者非平面的襯底上加工優勢更加突出。”趙鼎說，目前來看，冰刻技術的應用場景集中在基於光纖、納米線、納米管以及二維材料的新型光電子器件製備。
復旦大學物理系主任、超構材料與超構表面專家周磊教授評價說，這項工作對於研發集成度更高、功能性更強的光電器件具有重要的現實意義。