365bet日博娱乐场,冰雕研究的新突破

在光纤末端同时雕刻八百根头发厚度的数百个“冰雕”
冰雕研究的新突破
光明日报记者金浩田光明日报记者冯毅于锡娜
您还记得小时候看过的冰雕展吗?宫殿,动物和丛林使人们羡慕工匠的精湛技艺。
如果这样的冰雕位于仅一根头发粗细的八分之一的光纤的末端,并且一次雕刻成数百根,那是什么样的风景呢?
在过去的两个月中,西湖大学的邱敏研究团队先后在“纳米快报”,“纳米尺度”,“应用表面科学”和其他期刊上发表了一系列研究结果。定位到强度上以精确控制雕刻,然后将“冰雕”用作制造结构和加工设备的模具,这是一系列针对“原始材料和最终产品中的原材料”的三维微纳米加工系统“ Ice Engraving 2.0”“ asTarget。
西湖大学副校长,光学工程学教授邱敏说:“实际上,我们只是用冰代替了传统的电子束光刻中的’光刻胶’。”但是这种变化创造了全新的想象。
邱敏团队一些成员的合影;由西湖大学提供
什么是“冰雕”?
如何用巧克力粉在奶油蛋糕的表面撒上“生日快乐”一词?您需要一个带有“生日快乐”字样的模具。通过模具将巧克力粉撒在蛋糕上,并出现“ HappyBirthday”字样。
类似的原理也适用于传统的电子束光刻技术(微纳处理的核心技术之一)。
假设我们要在硅晶片上处理纳米级的金属字符,我们必须首先在晶片表面均匀地使用一种称为“光致抗蚀剂”的材料。使用电子束就像看不见的“雕刻刀”。在真空环境下在光致抗蚀剂上写上金属字。相应位置处的光致抗蚀剂的特性会发生变化。然后使用化学试剂冲洗掉粘合剂的改性部分,并准备好“镂空”的光致抗蚀剂模具;接下来步骤是将金属“填充”到空心位置,以使其在晶圆表面上“变长”。最后,用化学试剂清洁所有光刻胶,除去废物后仅留下金属字样。
可以看出,光刻胶是微纳工艺中非常关键的材料。有人说,如果中国想制造芯片,仅仅拥有一台光刻机是不够的,外国垄断必须在它上面“光阻”被打破。
但是,这种“光刻胶”具有局限性。
“将光致抗蚀剂施加到样品上是传统光刻的第一步。此操作类似于摊开薄饼。如果铁板不平坦,则饼将不能很好地摊开。同时,在涂有粘合剂的区域,邱敏实验室的助理研究员赵鼎说:“不要太小,否则粘合剂将不会轻易散开,材料也不应太脆或容易破裂。”
那么如何将光致抗蚀剂变成水冰呢?零下140度的真空环境会导致水蒸气凝结成无定形的冰。
从结冰开始到废物排放结束,整个过程都没有化学溶剂。照片由西湖大学提供
“将样品放入真空设备后,我们首先冷却样品,然后注入水蒸气。水蒸气在样品上凝结形成一层薄薄的冰层。”赵鼎说,光致抗蚀剂的缺乏正是水。导向器。“不一致”的水蒸气可以包裹任何形状的表面,即使最小的样品也不成问题,水蒸气的亮度使得可以在易碎的材料上进行处理。因此,他们将此水冰层称为“冰胶”“光致抗蚀剂”,冰凝胶“冰雕”中涉及的电子束光刻技术。
一旦用冰胶代替了光致抗蚀剂,就可以大大简化处理过程。“当电子束撞击冰盖时,撞击的冰自行消失,因为电子束分解并蒸发了水,从而使冰“可以直接雕刻模板,而不必使用传统的光刻术等化学试剂进行清洗。“形成了形状,从而避免了由于清洗皮带而造成的混乱以及由于难以清洗的光致抗蚀剂残渣而导致的不良产量,”赵鼎
同样,“光刻”的最后一步需要使用化学试剂来重新清洗粘合剂,而“刨冰”仅需要融化冰或将其升华成水蒸气,就好像该明胶层不存在一样。“进料,成品出库”只是六个词,生动地描述了您对Ice Carving 2.0的雄心勃勃的目标-一进一出。原料进出,成品出库。邱敏说,“冰雕”本质上仍是电子束光刻的一部分。然而,作为一种环境友好的“柔和”的加工方法,它特别适用于非平面基材或易碎的柔性材料,甚至适用于生物材料。
复旦大学物理系主任,超材料和超表面的专家周雷教授说,这项工作对开发更多集成化和功能化的光电器件具有重要的现实意义。“’冰雕’可以使用广泛使用的光纤有机地处理光学结合边界金属表面,这不仅为前者找到了合适的着陆平台,而且为后者提供了新的生命。”
该图案绘制在厚度为300纳米的冰凝胶上。图片中最小的微雪花直径仅为1.4微米,所有刻度均为1微米长。照片由西湖大学提供
痛苦而快乐的孤独的“舞者”
这是一群孤独的“冰舞者”。邱敏的团队已经培养了8年的“冰雕”实验领域。
他首先了解到,哈佛大学的一个研究团队正在演示生命科学领域的“冰雕”处理原型,这激发了他的灵感,并向他展示了该技术在微纳处理中的巨大潜力。
这是无人区。从瑞典皇家技术学院返回中国后,邱敏和赵鼎是首批招收博士学位的学生之一,他们共同挑战了这一主题。赵鼎说:“不要在宽阔的大街上成为追随者,您将以一种独特的方式开辟新天地。我认为这是大多数科研人员更愿意做出的选择。”
“冰雕”的原理简单明了,但仪器的实现却极为困难。该团队必须对原始的电子束光刻设备进行大量更改。赵鼎奋战了5年,工作量从零开始,例如注入水蒸气。这很容易说。经过反复的实验,温度有多低,进样口与样品之间的距离有多远,进样量和进样量有多大……所有这些都必须单独检查。”
从赵鼎毕业后,他的弟弟洪宇通过并绘制了数十张用于冰雕系统研究和开发的建筑图,由于没有现成的可购买的,在大多数情况下,您必须自己制造。他对真空技术和热力非常了解。经过两年的国外博士后研究,赵鼎已回到邱敏的实验室继续进行长距离冰雕比赛。
实际上,世界上只有两个冰雕实验室,一个在中国,一个在丹麦。显然,这并不是一个流行的研究方向,研发周期很长,很难快速发表有关该主题的文章并获得很高的引用。
邱敏说:“但这是一项令人兴奋的新技术。这种探索可以取得重大突破,也没有任何突破,但这是基础研究的重要性和乐趣。”当我们从“中国制造”的背景扩大视野时,从一个大型制造国过渡到一个强大的制造国,以微纳加工为代表的超精密加工的研究和创新正是中国制造的未来在新发表的文章结尾处,邱敏的团队以一种非常科幻的方式期待着“冰雕”的未来-毫无疑问,关于“冰雕”的未来研究将集中在这种传统的“石版画”上“能力将集中在无法到达的地区。由于水具有独特的生物相容性,因此有望将光子波导或电子电路“冰雕”在生物样品上。这将提高人类干预生物样品的能力,以前所未有的方式改善,同时开辟新的跨学科和研究方向。《光明日报》(2020年12月8日发布)