仇旻，西湖大學(xué)副校長、民進(jìn)杭州市西湖大學(xué)支部主任委員。他，16歲考入浙江大學(xué)物理系，24歲獲得浙江大學(xué)凝聚態(tài)物理博士，26歲獲得瑞典皇家工學(xué)院（KTH）電磁理論工學(xué)博士并被聘為助理教授，34歲晉升為瑞典皇家工學(xué)院微電子及應(yīng)用物理系正教授，35歲回國任教，43歲作為副校長參與創(chuàng)辦西湖大學(xué)，2020年創(chuàng)建全國第一個(gè)民營研究型大學(xué)民進(jìn)組織---民進(jìn)杭州市西湖大學(xué)支部……

　　下面請(qǐng)看關(guān)于他的科學(xué)故事：

　　實(shí)驗(yàn)室里往來穿梭的人，穿著密密實(shí)實(shí)的連體服，戴著口罩、頭套、手套，除了眼睛曝露在外，連一絲頭發(fā)都不能飄散在空中……

　　這是位于云棲校區(qū)2號(hào)樓一樓的納米光子學(xué)與儀器技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，西湖大學(xué)最干凈的地方之一——實(shí)驗(yàn)室采用正壓設(shè)計(jì)，每一間都是“超凈室”，不僅人不能隨意進(jìn)出，而且即使打開門，也要確?？諝庵荒軓膶?shí)驗(yàn)室內(nèi)部向外流動(dòng)。

　　納米光子學(xué)與儀器技術(shù)實(shí)驗(yàn)室是做什么的？顧名思義，他們主要是在微米、納米尺度上，探索光與物質(zhì)的相互作用，研發(fā)新型光電子器件及其制造工藝。其中，有一項(xiàng)叫“冰刻”的技術(shù)，是他們的重點(diǎn)研究方向之一。

　　相信大家小時(shí)候都看過美輪美奐的冰雕展，如果這樣的冰雕是發(fā)生在僅有頭發(fā)絲八分之一粗細(xì)的光纖末端，并且一次不止雕刻一件作品，而是百件以上呢？

　　近兩個(gè)月來，實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人仇旻和他的研究團(tuán)隊(duì)在Nano Letters、Nanoscale、Applied Surface Science等期刊上，連續(xù)發(fā)表了一系列研究成果——在小到微米甚至納米級(jí)別的“冰雕”上，他們已然游刃有余——從精確定位到精準(zhǔn)控制雕刻力度，再到以“冰雕”為模具制作結(jié)構(gòu)、加工器件，一套以“wafer in, device out”為目標(biāo)的“冰刻2.0”三維微納加工系統(tǒng)雛形初現(xiàn)。

　　本期Lab Show，我們一起換裝，去看看神奇的“冰刻”。

　　什么是“冰刻”

　　如何用巧克力粉在奶油蛋糕表面灑出“生日快樂”四個(gè)字？你需要一片模具，模具上有鏤空的“生日快樂”字樣。巧克力粉透過模具灑落到蛋糕上，“生日快樂”四個(gè)字就出現(xiàn)了。

　　類似的原理，也應(yīng)用在傳統(tǒng)的電子束光刻技術(shù)中（微納加工的核心技術(shù)之一）。

　　傳統(tǒng)電子束光刻技術(shù)的關(guān)鍵步驟

　　假設(shè)我們要在硅晶片上加工四個(gè)納米尺度的金屬字“西湖大學(xué)”，首先，我們需要將一種叫“光刻膠”的材料均勻地涂抹在晶片表面；用電子束（相當(dāng)于肉眼看不見的“雕刻刀”）在真空環(huán)境中將“西湖大學(xué)”四個(gè)字寫在光刻膠上，對(duì)應(yīng)位置的光刻膠性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化；再用化學(xué)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(jìn)鏤空位置，使之“長”在晶片表面；最后再用化學(xué)試劑將所有光刻膠清洗干凈，去除廢料后只留下金屬字。

　　可見，光刻膠是微納加工過程中非常關(guān)鍵的材料。所以有人說，中國要制造芯片，光有光刻機(jī)還不夠，還得打破國外對(duì)“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(tǒng)光刻加工的第一步。這個(gè)動(dòng)作有點(diǎn)像攤雞蛋餅，如果鐵板不平整，餅就攤不好。同時(shí)，被抹膠的地方，面積不能太小，否則膠不容易攤開攤勻；材質(zhì)不能過脆，否則容易破裂?！背饡F實(shí)驗(yàn)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(shì)，水無常形。”零下140度左右的真空環(huán)境，能讓水蒸氣凝華成無定形冰。

　　“我們把樣品放入真空設(shè)備后，先給樣品降溫再注入水蒸氣，水蒸氣就會(huì)在樣品上凝華成薄薄的冰層?！壁w鼎說，光刻膠之所短恰恰是水之所長?！盁o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；水蒸氣的輕若無物，也使得在脆弱材料上加工變成可能。對(duì)應(yīng)“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(shù)起名“冰刻”。

　　實(shí)際上，一旦將光刻膠換成了冰膠，由于水的特殊性質(zhì)，還能夠極大地簡(jiǎn)化加工流程。

　　“當(dāng)電子束打在冰層上，被打到的冰‘自行消失’，因?yàn)殡娮邮鴮⑺纸鈿饣?，這樣就能直接雕刻出冰模板，不需要像傳統(tǒng)光刻那樣用化學(xué)試劑清洗一遍來形成模具，從而規(guī)避了洗膠帶來的污染，以及難以洗凈的光刻膠殘留導(dǎo)致良品率低等問題”，趙鼎解釋說。

　　同樣道理，“光刻”的最后一步，需要再次用化學(xué)試劑洗膠，而“冰刻”只需要讓冰融化或升華成水蒸氣即可，仿佛這層冰膠從來不曾存在過一樣。

　　冰刻2.0：從原材料到成品一氣呵成

　　2012年，仇旻從瑞典皇家工學(xué)院回國任教后不久，就開啟了“冰刻”研究計(jì)劃。經(jīng)過六年的努力，他和他的團(tuán)隊(duì)將“冰刻”從紙上談兵變成現(xiàn)實(shí)，完成了國內(nèi)首臺(tái)“冰刻”系統(tǒng)的研發(fā)。來到西湖大學(xué)后，仇旻在國家自然科學(xué)基金委重大科研儀器研制項(xiàng)目（自由申請(qǐng)類）的支持下，全力研發(fā)功能更加強(qiáng)大的“冰刻系統(tǒng)2.0”。他們希望改變傳統(tǒng)電子束光刻繁瑣的加工程序，創(chuàng)造出一套全流程一體化、自動(dòng)化的微納加工系統(tǒng)——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。

　　冰刻系統(tǒng)2.0已在實(shí)驗(yàn)中雛形初現(xiàn)，中間圓型的“中轉(zhuǎn)艙”是實(shí)現(xiàn)一站式的關(guān)鍵，樣品每完成一個(gè)步驟，都將被送回到這里，再由機(jī)械臂將其送入下個(gè)步驟的“操作間”。

　　研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)從多個(gè)維度入手，不斷提升“冰刻”技術(shù)。

　　例如，團(tuán)隊(duì)成員掌握了如何“精準(zhǔn)定位”。想要有效“雕刻”冰膠，電子作用強(qiáng)度有一定要求，強(qiáng)度太弱冰膠不會(huì)消失。這讓原本僅作為“刻刀”使用的電子束新增了“定位器”的功能。當(dāng)加工多層式三維立體結(jié)構(gòu)時(shí)，可以先用低強(qiáng)度的電子束（減少對(duì)冰層損壞）透過冰膠，觀察并找到下層已經(jīng)完成的結(jié)構(gòu)；精確定位后再加大強(qiáng)度，正式開始“鏤空”作業(yè)。這樣一來，就不需要像使用光刻膠那樣額外引入復(fù)雜昂貴的對(duì)準(zhǔn)裝置，能夠輕易實(shí)現(xiàn)幾十納米的加工定位精度。

　　仇旻實(shí)驗(yàn)室2019級(jí)博士研究生吳珊，找到了控制“雕刻力度”的方法。她通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，冰膠去除厚度與電子作用強(qiáng)度呈線性關(guān)系。也就是說，“刻刀”在冰上鑿刻時(shí)，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(guān)系要復(fù)雜得多，電子束“雕刻”時(shí)力道控制的精準(zhǔn)性和靈活性就會(huì)受到約束。

　　在薄至300納米的冰膠上刻畫圖案，圖中最小的微型雪花直徑僅1.4微米，所有比例尺長度均為1微米。

　　仇旻實(shí)驗(yàn)室訪問學(xué)生洪宇和其他團(tuán)隊(duì)成員，則發(fā)現(xiàn)不費(fèi)“吹灰之力”就可以清除加工廢料。他們利用冰刻技術(shù)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(jié)構(gòu)。尤其在最后清除廢料環(huán)節(jié)，他們發(fā)現(xiàn)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，可以被輕易地吹除。

　　圖A所示的單模光纖端面上，加工同心圓結(jié)構(gòu)及圖BCD所示的結(jié)構(gòu)，其中B圖單個(gè)結(jié)構(gòu)寬度200納米，C圖單個(gè)領(lǐng)結(jié)型結(jié)構(gòu)中心間隔30納米，D圖單個(gè)圓環(huán)外徑660納米、寬度110納米。

　　從冰層沉積開始到吹除廢料結(jié)束，加工全程不涉及化學(xué)溶劑。

　　除此之外，利用冰在電子作用下與材料發(fā)生的獨(dú)特反應(yīng)，“我們可以將只有一個(gè)原子層厚度的二維材料‘冰刻’成任意形狀，通過人工構(gòu)造的方式使材料產(chǎn)生奇特的性質(zhì)?！背饡F實(shí)驗(yàn)室2019級(jí)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(gè)單詞，形象地描繪出他們?yōu)楸?.0制定的遠(yuǎn)大目標(biāo)——一進(jìn)一出，送進(jìn)去的是原材料，拿出來的是成品器件。

　　仇旻說，從本質(zhì)上講，“冰刻”仍屬于電子束光刻。但它作為一種綠色且“溫和”的加工手段，尤其適用于非平面襯底或者易損柔性材料，甚至生物材料。復(fù)旦大學(xué)物理系主任、超構(gòu)材料與超構(gòu)表面專家周磊教授表示，這項(xiàng)工作對(duì)于研發(fā)集成度更高、功能性更強(qiáng)的光電器件具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。“‘冰刻’可以將光學(xué)前沿的超構(gòu)表面與已經(jīng)廣泛應(yīng)用的光纖有機(jī)結(jié)合，既給前者找到了合適的落地平臺(tái)，又讓后者煥發(fā)了新的生機(jī)?！彼f。

　　痛并快樂著的寂寞舞者

　　這是一群寂寞的冰上舞者。仇旻團(tuán)隊(duì)已在“冰刻”這塊試驗(yàn)田深耕了八年。

　　最初，他了解到哈佛大學(xué)的一支研究團(tuán)隊(duì)演示了面向生命科學(xué)領(lǐng)域的“冰刻”加工雛形，這給了他靈感，讓他看到了這項(xiàng)技術(shù)在微納加工領(lǐng)域的巨大潛力。

　　這是一個(gè)無人區(qū)。仇旻用夢(mèng)想的力量，感召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(zhàn)這個(gè)課題?！安蛔隹登f大道上的跟隨者，而是獨(dú)辟蹊徑闖出一條新路，我想這是多數(shù)科研工作者更愿意的選擇?！壁w鼎說。

　　仇旻和團(tuán)隊(duì)成員在調(diào)試冰刻系統(tǒng)2.0。

　　“冰刻”原理簡(jiǎn)單明了，但是儀器的實(shí)現(xiàn)則異常艱辛。團(tuán)隊(duì)需要對(duì)原有的電子束光刻設(shè)備進(jìn)行大量改造。趙鼎為之奮斗了五年?！昂芏喙ぷ鞫际菑牧汩_始，比如注入水蒸氣，說起來很簡(jiǎn)單，實(shí)際上經(jīng)過了一次次實(shí)驗(yàn)，溫度要多低、注入口和樣品的距離要多遠(yuǎn)、注入量和速率要多大……都得一一驗(yàn)證。”

　　趙鼎畢業(yè)之后，師弟洪宇接力，為冰刻系統(tǒng)的研發(fā)繪制了幾十稿設(shè)計(jì)圖紙。因?yàn)闆]有現(xiàn)成的可以購買，多數(shù)情況下必須自己動(dòng)手，他惡補(bǔ)了很多真空技術(shù)和熱學(xué)方面的知識(shí)。

　　而今，在國外完成兩年博士后研究之后，趙鼎又回到仇旻實(shí)驗(yàn)室，繼續(xù)這場(chǎng)“冰刻”長跑。

　　事實(shí)上，全世界做冰刻的實(shí)驗(yàn)室，目前滿打滿算只有兩個(gè)，一個(gè)在中國，一個(gè)在丹麥。顯然，這不是一個(gè)熱門的研究方向，且研發(fā)周期很長，想在這個(gè)課題上很快發(fā)文章并獲得高引用很難。

　　“但這是一項(xiàng)令人激動(dòng)的新技術(shù)?！背饡F說，“這樣的探索，有可能帶來很大的突破，也有可能什么都沒有，但這正是基礎(chǔ)研究的意義和樂趣所在?！倍?dāng)我們把視角放大到中國制造的背景下，在從制造業(yè)大國向制造業(yè)強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變中，對(duì)以微納加工為代表的超精密加工的探索和創(chuàng)新，正是中國制造指向的未來。

　　仇旻團(tuán)隊(duì)部分成員合影。

　　在仇旻團(tuán)隊(duì)最新發(fā)表的文章結(jié)尾，他們用一種非?？苹玫姆绞秸雇恕氨獭钡奈磥?。毫無疑問，未來圍繞“冰刻”的研究，將聚焦于那些傳統(tǒng)“光刻”能力無法企及的領(lǐng)域。受益于水這種物質(zhì)得天獨(dú)厚的生物相容性，在生物樣本上“冰刻”光子波導(dǎo)或電子電路有望得以實(shí)現(xiàn)。而這將史無前例地提高人為干預(yù)生物樣本的能力，同時(shí)開辟出全新的學(xué)科交叉和研究方向。

　　南美的蝴蝶扇動(dòng)一下翅膀，引來大西洋的一場(chǎng)颶風(fēng)。誰說沒有這樣的可能性呢？

　　附：文中提及的相關(guān)科研論文

　?。ò窗l(fā)布時(shí)間為序）

　　Direct electron-beam patterning of monolayer MoS2 with ice

　　2020年10月12日在線發(fā)表于Nanoscale

　　文章鏈接：

　　https://doi.org/10.1039/D0NR05948J

　　Lithographic properties of amorphous solid water upon exposure to electrons

　　2020年10月26日在線發(fā)表于Applied Surface Science

　　文章鏈接：

　　https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.148265

　　Solvent-Free Nanofabrication Based on Ice-Assisted Electron-Beam Lithography

　　2020年11月13日在線發(fā)表于Nano Letters

　　文章鏈接：

　　https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03809