在1/8發絲粗細的光纖末端“冰上起舞” 什么是“冰刻”

還記得兒時看過的冰雕展嗎?美輪美奐的宮殿、動物、叢林，讓人不得不贊嘆匠人的鬼斧神工。

如果，這樣的冰雕是發生在僅有頭發1/8粗細的光纖末端，并且不止雕刻一件作品，而是同時雕刻百件以上，那又是怎樣的風景?

過去兩個月，西湖大學仇旻研究團隊在《納米快報》《納米尺度》《應用表面科學》等期刊上連續發表一系列研究成果，雕刻小到微米甚至納米級別的“冰雕”游刃有余，從精確定位到精準控制雕刻力度，再到以“冰雕”為模具制作結構、加工器件，一套以“wafer in, device out”(原料進，成品出)為目標的“冰刻2.0”三維微納加工系統雛形初現。

“其實我們只是把傳統電子束光刻技術中的‘光刻膠’換成了冰。”仇旻說。但這一換，卻換出了一片全新的想象空間。

什么是“冰刻”

如何用巧克力粉在奶油蛋糕表面撒出“生日快樂”四個字?你需要一片模具，模具上有鏤空的“生日快樂”字樣。巧克力粉透過模具撒到蛋糕上，“生日快樂”四個字就出現了。

類似的原理，也應用在傳統的電子束光刻技術(微納加工的核心技術之一)中。

假設我們要在硅晶片上加工四個納米尺度的金屬字“西湖大學”，首先，需要將一種叫“光刻膠”的材料均勻地涂抹在晶片表面;用電子束(相當于肉眼看不見的“雕刻刀”)在真空環境中將“西湖大學”四個字寫在光刻膠上，對應位置的光刻膠性質會發生變化;再用化學試劑洗去改性部分的膠，一片“鏤空”的光刻膠模具就做好了;接下來便是將金屬“填”進鏤空位置，使之“長”在晶片表面;最后再用化學試劑將所有光刻膠清洗干凈，去除廢料后只留下金屬字。

光刻膠是微納加工過程中非常關鍵的材料。有人說，中國要制造芯片，光有光刻機還不夠，還得打破國外對“光刻膠”的壟斷。

但這樣的“光刻膠”有局限性。

“在樣品上涂抹光刻膠，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。”仇旻實驗室助理研究員趙鼎說。

那么，把光刻膠變成水冰呢?

《孫子兵法》中說：“兵無常勢，水無常形。”零下140攝氏度左右的真空環境，能讓水蒸氣凝華成無定形冰。“無常形”的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;水蒸氣輕若無物，使在脆弱材料上加工變成可能。對應“光刻膠”，他們給這層水冰起名“冰膠”，給冰膠參與的電子束光刻技術起名“冰刻”。

實際上，一旦將光刻膠換成了冰膠，還能夠極大地簡化加工流程，規避洗膠帶來的污染，以及難以洗凈的光刻膠殘留導致良品率低等問題。“冰刻”只需要讓冰融化或升華成水蒸氣即可，仿佛這層冰膠不曾存在過一樣。

從原材料到成品一氣呵成

2012年，仇旻從瑞典皇家理工學院回國任教后不久，就開啟了“冰刻”研究計劃。經過六年的努力，他和團隊將“冰刻”從紙上談兵變成現實，完成了國內首臺“冰刻”系統的研發。

來到西湖大學后，仇旻全力研發功能更加強大的“冰刻系統2.0”。他們希望創造出一套全流程一體化、自動化的微納加工系統——從冰膠形成開始，到模具加工、材料生長、器件性能表征，一氣呵成。

研究團隊已經從精準定位、雕刻力度等多個維度入手，不斷提升“冰刻”技術。

仇旻實驗室2019級博士研究生吳珊，找到了控制“雕刻力度”的方法。她通過實驗發現，冰膠去除厚度與電子作用強度呈線性關系。也就是說，“刻刀”在冰上鑿刻時，下刀的力越大，刻出的槽就越深，并且下刀的力度和槽的深度能直接按比例推算。而使用光刻膠，電子與膠厚之間的關系要復雜得多，電子束“雕刻”時力道控制的精準性和靈活性就會受到約束。

仇旻實驗室訪問學生洪宇和其他團隊成員則發現，不費“吹灰之力”就可以清除加工廢料。他們利用冰刻技術，不僅在光纖端面(光纖“頭部”的橫截面)，而且在光纖曲面(光纖“身體”表面)上加工制作出各種精巧的微納結構。尤其在最后清除廢料環節，他們發現樣品在真空中從低溫升回室溫后，多余的金屬材料自然卷曲并與樣品分離，可被輕易地吹除。

除此之外，利用冰在電子作用下與材料發生的獨特反應，“我們可以將只有一個原子層厚度的二維材料‘冰刻’成任意形狀，通過人工構造的方式使材料產生奇特的性質”。仇旻實驗室2019級博士研究生姚光南目前正在開展這方面的研究。

“Wafer in, device out.”短短四個單詞，形象地描繪出他們為冰刻2.0制定的遠大目標—— 一進一出，送進去的是原材料，拿出來的是成品器件。

復旦大學物理系主任、超構材料與超構表面專家周磊表示，這項工作對于研發集成度更高、功能性更強的光電器件具有重要現實意義。

寂寞的冰上舞者

這是一群寂寞的冰上舞者。仇旻團隊已在“冰刻”這塊試驗田深耕了8年。

最初，他了解到哈佛大學的一支研究團隊演示了面向生命科學領域的“冰刻”加工雛形，這給了他靈感，讓他看到了這項技術在微納加工領域的巨大潛力。

這是一個無人區。仇旻用夢想的力量，吸引了他回國后招收的第一批博士研究生之一趙鼎，他們決定一起來挑戰這個課題。“不做康莊大道上的跟隨者，而是獨辟蹊徑闖出一條新路，我想這是多數科研工作者更愿意選擇的。”趙鼎說。

“冰刻”原理簡單明了，但是儀器的實現則異常艱辛。團隊需要對原有的電子束光刻設備進行大量改造。趙鼎為之奮斗了5年。“很多工作都是從零開始，比如注入水蒸氣，說起來很簡單，實際上經過了一次次實驗，溫度要多低、注入口和樣品的距離要多遠、注入量和速率要多大……都得一一驗證。”

趙鼎畢業之后，師弟洪宇接力，為冰刻系統的研發繪制了幾十稿設計圖紙。因為沒有現成的可以購買，多數情況下必須自己動手，他惡補了很多真空技術和熱學方面的知識。

而今，在國外完成兩年博士后研究之后，趙鼎又回到仇旻實驗室，繼續這場“冰刻”長跑。

事實上，全世界做冰刻的實驗室，目前滿打滿算只有兩個，一個在中國，一個在丹麥。顯然，這不是一個熱門的研究方向，且研發周期很長，想在這個課題上很快發文章并獲得高引用很難。

“但這是一項令人激動的新技術，對以微納加工為代表的超精密加工的探索和創新，正是中國制造指向的未來。”仇旻說。

在仇旻團隊最新發表的文章結尾，他們用一種非常科幻的方式展望了“冰刻”的未來。毫無疑問，未來圍繞“冰刻”的研究，將聚焦于傳統“光刻”能力無法企及的領域。受益于水這種物質得天獨厚的生物相容性，在生物樣本上“冰刻”光子波導或電子電路有望得以實現。而這將史無前例地提高人為干預生物樣本的能力，同時開辟出全新的學科交叉和研究方向。(記者 溫才妃 通訊員 馮怡)