香港中文大學Nature Commun.：一種具有普適性的的原位沉積圖案化材料的方法

【引言】

從電路板印刷到集成電路和納米器件制造的常規制造過程包括多個步驟，例如材料沉積，光刻和剝離。每個步驟不僅增加成本和失敗機會，而且提出了苛刻的要求。例如，在電子束蒸發過程中，樣品表面溫度可能被加熱得太高。光刻過程中使用的有機化學物質或沉積過程中使用的高真空化學物質會降低樣品質量，并進一步限制要使用的樣品。在當前的技術下，由于光刻的多步驟性質，必須在每個過程中和不同設置之間移動被光刻膠覆蓋的樣品，每次移動后通過光致抗蝕劑成像和重新對齊可能會使保真度降低，同時大多數制造工藝與大多數表征測量均不兼容。為了解決這些問題，需要發明一種通用的單步圖案化材料沉積方法。關鍵挑戰之一是要找到一種機制，以在對材料進行原位沉積的同時對其進行構圖。然而，直接圖案化無機材料，尤其是金屬仍然是挑戰。到目前為止，只有基于光子的方法才能達到高分辨率和準確性，但復雜性和苛刻的工作條件嚴重限制了進一步發展。

【成果簡介】

為了解決所有這些問題，香港中文大學楊森教授和夏慷蔚博士（共同通訊作者）等人提出了一種基于半導體納米粒子為媒介的光子誘導化學還原和激光誘導光阱過程相結合的單步直接材料沉積方法（LIMD）。納米粒子不僅成為通用的還原劑，拓寬了材料的選擇范圍，而且還可以充當被光力束縛的生長種子，并可以充當“膠水”以形成剛性的復合沉積物。這種方法使之能夠沉積面積大，厚度大，質量高和精度高的材料。此外，該設置與基于光學顯微鏡的測量自然兼容，這樣就可以原位實現樣品表征和材料沉積。用這種方法在2D或3D中制造的各種設備表明，該方法消除了傳統方法帶來的制造限制，并使設備可用于實際應用。這種方法將為材料設計提供獨特的工具。相關研究成果以“A universal method for depositing patterned materials in situ”為題發表在Nature Communication上。

【圖文導讀】

圖一、激光誘導的材料沉積

（a）LIMD方法的原理示意圖；

（b）實驗程序的示意圖；

（c）基于LIMD方法在載玻片上沉積的三個樣品。

圖二、使用LIMD方法在各種基板上進行的材料沉積

（a）在這項工作中的LIMD方法所使用的成分和基材的列表；

（b）沉積在基板上的不同材料的反射型照明顯微圖像。

圖三、沉積結構的物理性質

（a，b）SEM圖像顯示了LIMD方法在玻璃片上沉積點和氧化鐵納米線；

（c，d）玻璃玻片上鉑沉積和氧化鐵沉積的的SEM圖像；

（e）激光燒結之前（橙色）和之后（藍色）制成的鉑結構的電導率；

（f）鉑（藍色)和氧化鐵(紅色）樣品的I-V曲線；

（g）共聚焦顯微鏡掃描得到的熒光圖像和載玻片上鎳沉積物的SEM圖像；

（h，i）測量的ESR圖譜。

?圖四、通過LIMD方法制造的實際應用設備

（a，b）兩個柔性設備的示意圖：電阻式傳感器和基于電阻的觸摸傳感器；

（c）結合納米金剛石顆粒的微波波導的SEM圖像；

（d）電阻與在設備a中曲率測量的關系；

（e）器件b與電阻的關系；

（f）微波驅動的Rabi振蕩；

（g）微波功率取決于拉比振蕩頻率；

（h）3D激光寫入的設計模式；

（i）由氧化鐵沉積制成的三維中國地形圖；

（j，k）用LIMD方法修復ITO接觸間隙的原理圖設計和顯微圖像。

【小結】

本文發展了一種結合了光子誘導的化學還原和激光誘導的光捕獲技術，并結合半導體納米粒子作為媒介的圖案化材料沉積方法。在第一個演示中，已經展示了在多種基材上使用多種材料的成功應用。基于這種通用機制，可以設計更多的配方。例如，納米顆粒可以是無機半導體或鈣鈦礦結構，或其他有機材料。隨著更多來自不同學科的交叉，LIMD方法將被發展成為現代材料研究中的強大工具。值得一提的是，與其他傳統的微結構制造設備相比，這種基于顯微鏡的LIMD設置還大大降低了對設備和培訓的要求。甚至可以用這種方法制造用于直接打印材料的噴墨激光打印機。這將使印刷電路成為可能，并減少了人工，材料和設備的制造成本。

文獻鏈接：“A universal method for depositing patterned materials in situ”(Nature communication，2020，10.1038/s41467-020-19210-0)

關于研究團隊

???????楊森教授的實驗團隊主要研究固態系統中的量子信息科學及科技，包括量子計算、量子通訊和量子傳感測量。其團隊主要研究碳基材料的量子光學特性，尤其是基于金剛石里氮空位中心的量子科技。團隊研發出世界首個基于金剛石單個核自旋的高效量子光學存儲器，和用于高壓量子材料研究的量子傳感器等。正在進行的研究包括研發基于金剛石的量子芯片、建立遠程光量子網絡，以及研究量子材料的超導和磁特性等。

??????? 夏慷蔚博士曾為中大物理系研究助理教授（現就職于德國斯圖加特大學物理系）。主要研究方向為對固態單個稀土離子精密譜學、基于金剛石氮缺陷色心量子精密測量以及對碳基材料光化學性質的研究。

??????陳一帆（第一作者），2014年畢業于浙江省寧波市鎮海中學，2019年在香港中文大學完成物理理學學士學位，現正在香港中文大學理學院物理系攻讀博士學位。

??其他團隊成員包括一位中大物理系本科生盧穎琪同學，研究生洪兆輝、陳旸和沈陽。其中陳一帆和洪兆輝是共同第一作者。本研究由中大和香港教育資助委員會資助。

研究組最近一年的主要論文：

• Y.F. Chen, S.F. Hung, W. K. Lo, Y. Chen, Y. Shen, K. Kafenda, J. Su, K. Xia*, and Sen Yang*, A universal method for depositing patterned materials in-situ, Nature Communications 11, 5334 (2020)
• Kin On Ho, Man Yin Leung, Yaxin Jiang, Kin Pong Ao, Wei Zhang, King Yau Yip, Yiu Yung Pang, King Cho Wong Swee K. Goh*, Sen Yang*, Probing Local Pressure Environment in Anvil Cells with Nitrogen-Vacancy (N-V?) Centers in Diamond, Phys. Rev. Applied 13, 024041 (2020).
• Kangwei Xia*, Roman Kolesov, Ya Wang*, Petr Siyushev, Thomas Kornher, Rolf Reuter, Sen Yang, J?rg Wrachtrup,Spectroscopy properties of a single praseodymium ion in a crystal, New J. Phys. 22, 073002 (2020).
• Kangwei Xia*, Wei-Yi Chiang, Cesar Javier Lockhart de la Rosa, Yasuhiko Fujita, Shuichi Toyouchi, Haifeng Yuan, Jia Su, Hiroshi Masuhara, Stefan De Gendt, Steven De Feyter, Johan Hofkens, Hiroshi Uji-i*, Photo-induced electrodeposition of metallic nanostructures on graphene, Nanoscale 12, 11063 (2020).
• King Yau Yip, Kin On Ho, King Yiu Yu, Yang Chen, Wei Zhang, S. Kasahara, Y. Mizukami, T. Shibauchi, Y. Matsuda, Swee K. Goh*, Sen Yang*, “Measuring magnetic field texture in correlated electron systems under extreme conditions”, Science 366, 1355 (2019)

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