冬天到了，各种好看的冰雕又出来了。西湖大学的科研团队展示了一种独特的“冰雕”技巧。他们的“冰雕”小到微米甚至纳米。
记者12月9日从西湖大学了解到，西湖大学纳米光子学与仪器技术实验室负责人邱敏及其研究团队近两个月在《纳米快报》《纳米尺度》01《应用表面科学》等国际知名期刊上发表了一系列关于冰雕的研究成果。
在微米甚至纳米级的“冰雕”上，研究团队已经能够实现从精确定位到精确控制雕刻强度的新型三维微纳加工系统的雏形，进而以“冰雕”为模具制造结构和加工装置——。
光刻胶的短缺和“冰胶”的长
要了解他们开发的冰雕技术，首先需要了解传统的电子束光刻技术。
在传统的电子束光刻技术中，通常需要在晶片表面均匀地涂敷一种叫做光刻胶的材料。
当电子束作用在光刻胶上时，会改变对应位置光刻胶的性质。然后进行洗胶、金属填充、洗胶等一系列工艺。
可见光刻胶是微纳加工中的关键材料，但也有一定的局限性。
“在样品上涂覆光刻胶是传统光刻的第一步。这个动作有点像摊蛋饼。铁板不平，饼就不好摊。同时，涂胶的面积不能太小，否则胶水不容易铺开，铺开均匀；材料不能太脆，否则容易断裂。”邱敏实验室助理研究员赵鼎说。
如果用一层薄冰代替光刻胶，会有什么效果？
“我们把样品放入真空设备后，先冷却样品，然后注入水蒸气，水蒸气会在样品上凝结成一层薄冰。”赵鼎说，光刻胶的缺点恰恰是水的强度。
因为，在零下140摄氏度左右的真空环境中，水蒸气可以包裹任何形状的表面，即使是很小的样品，也没有问题；水蒸气的轻使得处理易碎材料成为可能。
对应光刻胶，研究者将这层水冰命名为“冰胶”，将冰胶参与的电子束光刻技术命名为“冰雕”。
赵鼎介绍说，一旦用冰胶代替光刻胶，加工流程就可以大大简化。由于冰胶可以通过雕刻、熔化或电子束直接气化去除，所以在加工过程中不需要用化学试剂清洗光刻胶，避免了清洗胶带带来的污染和光刻胶残留带来的产量低的问题，光刻胶难以清洗。
“冰雕2.0”，硬件已经成型
据报道，邱敏和他的团队于2018年完成了中国首个“冰雕”系统的研发。加入西湖大学后，邱敏带领研究团队继续开发更强大的“冰雕2.0”系统。
在最近的研究中，研究团队从多个维度入手，不断完善冰雕技术，取得了一系列新进展。
研究团队一方面掌握了冰雕中如何准确定位。他们发现，在加工多层三维结构时，可以先用低强度电子束，精确定位后再加大强度，正式开始“镂空”操作。另一方面，实验室成员也找到了控制冰雕强度的方法。实验结果表明，冰胶的去除厚度与电子作用强度呈线性关系。
「冰雕1.0系统的仪器体积小，功能单一，适合制作简单的微纳结构.目前‘冰雕2.0’的研发才刚刚开始，但系统的硬件设施已经初具规模。”赵鼎告诉《科技日报》记者，该团队的目标是实现“原材料进，成品出”的一站式微纳加工。
从全球来看，冰雕技术的研发还处于起步阶段。这项技术在未来会有什么用？
在邱敏看来，本质上，“冰刻”
“在电子束光刻的框架体系下，冰胶和传统光刻胶更具互补性。传统光刻胶技术比较成熟，特别适合在大面积平面基板上加工，而冰胶在小面积、不规则或非平面基板上的加工优势更加突出。”赵鼎表示，目前冰刻技术的应用场景主要集中在基于光纤、纳米线、纳米管和二维材料的新型光电器件的制备上。
复旦大学物理系主任、超结构材料和超结构表面专家周磊教授评论说，这项工作对于开发集成度更高、功能性更强的光电器件具有重要的现实意义。
本报记者李媛媛通讯员冯毅
