在纳米尺度做冰雕，西湖大学“冰刻2.0”首秀
时值冬季，各种美轮美奂的冰雕又要出场，西湖大学科研团队展示了一种“冰雕”绝活儿。他们的“冰雕”，小到微米甚至纳米级别。
记者12月9日从西湖大学获悉，近两个月来，西湖大学纳米光子学与仪器技术实验室负责人仇�F和他的研究团队在《纳米快报》《纳米尺度》《应用表面科学》等国际知名期刊上，连续发表了一系列关于冰刻的研究成果。
在微米甚至纳米级别的“冰雕”上，该研究团队已经可以实现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――一种新型三维微纳加工系统雏形初现。
在传统的电子束光刻技术中，通常需要将一种叫做光刻胶的材料均匀地涂抹在晶片表面。
电子束作用在光刻胶上，会改变相应位置的光刻胶性质。随后再进行洗胶、填金属、再洗胶等一系列流程。
可以看出，光刻胶是微纳加工过程中非常关键的材料，不过，光刻胶也存在一定局限性。
“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�F实验室助理研究员赵鼎说。
如果把光刻胶换成薄薄的一层冰，会是什么样的效果？
“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。
因为，在零下140摄氏度左右的真空环境中，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，也使在脆弱材料上加工变成可能。
对应光刻胶，科研人员给这层水冰起名“冰胶”，给冰胶参与的电子束光刻技术起名“冰刻”。
赵鼎介绍，一旦将光刻胶换成冰胶，还能够极大地简化加工流程。因为冰胶可以通过直接被电子束雕刻、融化或气化即可去除，所以加工过程中，无需用化学试剂清洗光刻胶，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。
据介绍，仇�F和他的团队曾在2018年完成了国内首台“冰刻”系统的研发。加入西湖大学后，仇�F带领科研团队继续研发功能更加强大的“冰刻2.0”系统。
在最近的研究中，研究团队从多个维度入手，不断提升冰刻技术，并取得一系列新进展。
一方面，该研究团队掌握了如何在冰刻中精准定位。他们发现，当加工多层式三维立体结构时，可以先使用低强度的电子束，精确定位后再加大强度，正式开始“镂空”作业。另一方面，实验室成员还找到了控制冰刻力度的方法。实验显示，冰胶去除厚度与电子作用强度呈线性关系。
“‘冰刻1.0’系统的仪器体积较小、功能单一，适用于简单微纳结构的制作……当前‘冰刻2.0’的研发才刚刚开始，但系统的硬件设施已初具雏形。”赵鼎告诉科技日报记者，该团队的目标是实现“原料进，成品出”的一站式微纳加工。
从全球范围来看，冰刻技术的研发仍处于起步阶段。这样的技术，将来有哪些用场？
在仇�F看来，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。
“在电子束光刻这个框架体系下，冰胶与传统光刻胶之间更像是互补关系。传统光刻胶工艺成熟，特别适合在大面积平整衬底上加工，冰胶则在微小的、不规则的或者非平面的衬底上加工优势更加突出。”赵鼎说，目前来看，冰刻技术的应用场景集中在基于光纤、纳米线、纳米管以及二维材料的新型光电子器件制备。
复旦大学物理系主任、超构材料与超构表面专家周磊教授评价说，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。