亞10nm的結(jié)構(gòu)在集成電路、光子芯片、微納傳感、光電芯片、納米器件等技術(shù)領(lǐng)域有應(yīng)用需求（圖1），這對微納加工的效率和精度提出了新挑戰(zhàn)。激光直寫作為一種高性價比的光刻技術(shù)，可利用連續(xù)或脈沖激光在非真空的條件下實現(xiàn)無掩?？焖倏虒?，降低了器件制造成本，是一種有競爭力的加工技術(shù)。然而，激光直寫技術(shù)由于衍射極限以及鄰近效應(yīng)的限制，很難做到納米尺度的超高精度加工。

近日，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員張子旸與國家納米中心研究員劉前合作，在Nano Letters上發(fā)表了題為5 nm Nanogap Electrodes and Arrays by a Super-resolution Laser Lithography（DOI： 10.1021/acs.nanolett.0c00978）的研究論文，報道了一種新型5nm超高精度激光光刻加工方法。

蘇州納米所張子旸團隊從事微納加工技術(shù)的開發(fā)、高速光通信半導(dǎo)體激光器、超快激光器等的研制工作（ACS Photonics 6， 1581， 2019；Light. Sci. Appl. 6，17170， 2018；ACS Photonics， 5， 1084，2018；Adv. Opt. Photon.， 2， 201， 2010；授權(quán)專利：106449897B）；國家納米中心劉前團隊從事微納加工方法及設(shè)備的創(chuàng)新研究，發(fā)展出多種新型微納加工方法和技術(shù)（Novel Optical Technologies for Nanofabrications；Nano Letters 17，1065，2017；Nature comm. 7，13742，2016；Adv. Mater. 24，3010，2012；授權(quán)專利：美國US 2011/0111331 A1和日本J5558466）。該研究使用了研究團隊開發(fā)的具有完全知識產(chǎn)權(quán)的激光直寫設(shè)備，利用激光與物質(zhì)的非線性相互作用來提高加工分辨率，有別于傳統(tǒng)的縮短激光波長或增大數(shù)值孔徑的技術(shù)路徑，打破了傳統(tǒng)激光直寫技術(shù)中受體材料為有機光刻膠的限制，可使用多種受體材料，擴展了激光直寫的應(yīng)用場景。研究團隊針對激光微納加工中所面臨的實際問題出發(fā)，解決了高效和高精度之間的固有矛盾，開發(fā)的新型微納加工技術(shù)在集成電路、光子芯片、微機電系統(tǒng)等眾多微納加工領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。

圖1.亞十納米圖形結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域和方向。

研究中，基于光熱反應(yīng)機理，研究團隊設(shè)計開發(fā)了一種新型三層堆疊薄膜結(jié)構(gòu)。在無機鈦膜光刻膠上，采用雙激光束（波長為405nm）交疊技術(shù)（見圖2a），通過精確控制能量密度及步長，實現(xiàn)了1/55衍射極限的突破（NA=0.9），達到了最小5nm的特征線寬。此外，研究團隊利用這種超分辨的激光直寫技術(shù)，實現(xiàn)了納米狹縫電極陣列結(jié)構(gòu)的大規(guī)模制備（如圖2b-c）。相較而言，采用常規(guī)聚焦離子束刻寫，制備一個納米狹縫電極需要10到20分鐘，而利用本文開發(fā)的激光直寫技術(shù)，可以一小時制備約5×10^5個納米狹縫電極，展示了可用于大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。

圖2.雙束交疊加工技術(shù)示意圖（左）和5nm 狹縫電極電鏡圖（右）。

納米狹縫電極作為納米光電子器件的基本結(jié)構(gòu)有廣泛的應(yīng)用。該團隊利用發(fā)展的新技術(shù)制備出納米狹縫電極為基本結(jié)構(gòu)的多維度可調(diào)的電控納米SERS傳感器?？稍趥鞲衅饕痪S方向上對反應(yīng)“熱點”完成定點可控，實現(xiàn)了類似邏輯門“0”、“1”信號的編碼和重復(fù)（圖3a-b），并可通過狹縫間距和外加電壓的改變，實現(xiàn)了對反應(yīng)“熱點”強度的精確可調(diào)（圖3c-d），這對表面科學(xué)和痕量檢測等研究有重要意義。

圖3.（a）納米SERS傳感器的光學(xué)顯微鏡圖；（b）一維線性掃描下拉曼信號譜；（c）不同寬度下拉曼信號譜；（d）不同外加電壓下拉曼信號譜。

論文第一作者為蘇州納米所與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的碩士研究生秦亮；蘇州納米所與蘭州大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生黃源清和青島大學(xué)夏峰為論文的共同第一作者；張子旸和劉前為論文的通訊作者。研究工作得到國家重點研究計劃項目、國家自然科學(xué)基金、Eu-FP7項目、中國博士后科學(xué)基金的支持。

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