【IOP專欄】 新加坡科技設計大學 Joel K. W. Yang 團隊 Nano Futures: 使用激光直寫技術打印10納米級懸空納米網格

【引言】

基于雙光子聚合的三維激光直寫技術受限于衍射極限, 使得現有的成熟激光直寫技術的極限尺度被限制在100納米級別。實現更高的書寫尺度極限往往需要對實驗設備和聚合材料進行精細的調控，加大了實驗的成本和復雜度。因此，發展一個完全基于標準的3D激光直寫儀器的圖案化手段來實現極高的打印極限是非常重要的。文章中展示的方法可以非常簡單地通過調節書寫條件，直接書寫超小尺寸。

【成果簡介】

近日，新加坡科技設計大學Joel K. W. Yang教授（通訊作者）團隊，首次報道了使用激光直寫技術打印出10納米級的懸空納米網格。該團隊發現通過控制激光掃描的速度及方向，配合聚合物的張力作用，可以打印出10納米級的懸空納米線。其中最窄的線條可達7納米，幾乎媲美目前精度最高的表面圖案化技術。該方法在用于打印20納米級的懸空網格時可達到80%的成品率。利用這方法，該團隊打印出最小橫向間距為33納米的懸空納米網格。同時，這些納米網格可以用作蒸發掩板制造納米級的金屬間距。相關成果以題為 “Sub-10-nm Suspended Nano-Web Formation by Direct Laser Writing” 發表在 Nano Futures 上。

【圖文導讀】

圖1：隨機成核vs 導向成核 vs 正常交聯過程的概要和結果

（a-c）隨機成核：聚合物均勻隨機生成，形成雜亂的納米結構。往往是大結構的副產物。
（d-f）導向成核：利用低于閾值的激光進行導向，形成有規律的納米結構。可打印10納米級別的結構
（g-i）正常的交聯過程：激光強度高于閾值，產生足夠多的聚合物形成寬大的結構。這類結構往往在100納米級別。

圖2：激光掃描方向的影響及納米網格的形貌表征

（a）A和B是電子掃面顯微鏡圖片，展示了在極低的激光強度下，納米線條展現了隨掃描方向變化的非對稱性。C-F 列舉了不同激光強度下線條寬度及非對稱性的變化
（b）展示了三個不同參數隨激光強度的變化，分別是成品率（Yield），寬度比（Width ratio – 用于比較線條的非對稱性）及最小寬度（Feature Size）。

圖3：最小寬度的納米線

展示了小于10納米的線條。

圖4：橫向間距的極限

A-D為下圖中不同激光強度下的例子。測量的橫向距離表明，利用打印高度差及極細的納米線條，30納米左右的橫向間距是可實現的。

圖5：利用懸空納米網格作為蒸發掩膜

（a-b）是利用打印高度差及細線條來避免不需要的隨機聚合，極細且規整的間距可以實現。
（c-d）作為對比，若納米線條都打印在同一高度，不需要的隨機聚合會破壞設計的規整性。

【小結】

實驗結果表明，通過控制激光掃描速度及方向，10納米級的納米網格是可實現的。利用打印高度差及極細的納米網格，進而可以實現30納米級的橫向間距以及極小且規整的金屬間距。這項研究展示一種新的可能，即利用現有成熟的激光打印技術，10納米級的納米結構亦是可以實現。目前，完整的機制尚未完全清晰明了，該課題組正致力于更多相關實驗來驗明機制以及完善該方法，使得打印隨意形狀的10納米級三維納米結構成為可能。該成果進一步擴展了激光打印技術的使用范圍。

文獻鏈接:Sub-10-nm Suspended Nano-Web Formation by Direct Laser Writing?http://iopscience.iop.org/article/10.1088/2399-1984/aabb94

材料人與IOP出版社聯合推出【IOP專欄】，報道IOP旗下期刊精彩研究進展。本文系【IOP專欄】第5篇。

Nano Futures是英國物理學會（Institute of Physics, UK）的旗艦刊，2017年創刊，發表納米研究領域前瞻性的研究成果，一年四期，每期約八篇，大多數都是邀請稿，主編、編委和編輯團隊來源于Nanotechnology。

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