物理所在三維納米結(jié)構(gòu)的加工與應(yīng)用研究中取得進展

　　三維納米結(jié)構(gòu)既可具有納米材料與結(jié)構(gòu)所賦予的量子效應(yīng)、尺寸效應(yīng)與表面效應(yīng)等新奇物性，又可通過三維幾何結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電聲子輸運與耦合、自旋極化、激子行為、波陣面調(diào)控等物性的協(xié)同調(diào)制，獲得平面器件不具有的功能。目前，三維納米結(jié)構(gòu)的可控加工方法明顯不足，阻礙了三維納米器件的發(fā)展，并制約著高端納米產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的形成。為獲得性能優(yōu)異的三維納米結(jié)構(gòu)與器件，國內(nèi)外展開了多種三維納米加工技術(shù)研究，主要包括自組裝生長、納米印刷、飛秒激光加工以及載能粒子束加工技術(shù)等，但如何實現(xiàn)三維空間的可控加工和三維納米結(jié)構(gòu)的功能化，仍是具有極大挑戰(zhàn)性的課題。

　　近年來，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)國家實驗室（籌）微加工實驗室的工程師劉哲、副主任工程師李無瑕、主任工程師李俊杰和博士生崔阿娟及研究員顧長志等人系統(tǒng)地開展了基于聚焦離子束技術(shù)的三維納米結(jié)構(gòu)與器件的可控加工技術(shù)研究，并取得了一系列的進展。他們發(fā)明了一種基于聚焦離子束的應(yīng)變誘導(dǎo)三維納米結(jié)構(gòu)加工新方法，即利用離子束輻照產(chǎn)生的注入效應(yīng)以及由入射粒子能量轉(zhuǎn)換與傳遞產(chǎn)生的溫度效應(yīng)，在納米材料中產(chǎn)生局域化表面再構(gòu)、缺陷、晶體結(jié)構(gòu)變化，實現(xiàn)了三維空間誘導(dǎo)的納米材料形變，以此構(gòu)建三維功能納米結(jié)構(gòu)與器件。這種基于聚焦離子束的應(yīng)變加工方法可兼有高精度、多維度、跨尺度、可設(shè)計以及可控等特點。他們首先利用這一技術(shù)構(gòu)筑了一維金屬W的自支撐納米間隙、納米接觸以及納米多肢體等多種三維納米結(jié)構(gòu)，證實了這些結(jié)構(gòu)可具有高達5.2K的超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度以及較好的機械性能與熱穩(wěn)定性 【Appl. Phys. Lett. 100，143106 (2012)；Appl. Phys. Lett. 102, 213112 (2013)】。之后，他們利用這一技術(shù)實現(xiàn)了自支撐鉑納米線沿徑向的組分與微結(jié)構(gòu)的非均勻生長，并通過熱致應(yīng)變規(guī)律的探索與量化處理，掌握了形變的可控手段，獲得了硅錐頂部的自支撐納米點接觸以及將ZnO雙層納米浴盆進行固定的微籠結(jié)構(gòu)，顯示了該方法在三維納米電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)以及生物分子學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力【Scientific Reports. 3, 2429（2013）】。

　　最近，他們與物理所光物理實驗室的副研究員李家方、研究員李志遠，英國索爾福德大學(xué)教授沈鐵漢以及同濟大學(xué)教授李宏強等合作，將聚焦離子束應(yīng)變誘導(dǎo)三維納米結(jié)構(gòu)的加工方法推廣到了二維薄膜材料體系，發(fā)展了一種基于離子束輻照的折疊應(yīng)變加工方法，可將平面內(nèi)的結(jié)構(gòu)多次有序折疊，實現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)單元在空間、尺寸、周期與幾何形貌可調(diào)制的大面積可控加工。該方法可在金屬、介質(zhì)以及復(fù)合納米薄膜上進行三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。利用這一技術(shù)，他們設(shè)計并構(gòu)建了一系列基于金納米薄膜的孔洞-垂直開口諧振環(huán)（MH-VSRR）三維等離激元微納結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)在紅外-近紅外波段具有明顯的異常法諾共振現(xiàn)象，并可用于高靈敏度的光折射率傳感，在近紅外波段的靈敏度高達2040nm/RIU，是目前該波段同類結(jié)構(gòu)已報道的最高值。顯示了這種三維納米加工技術(shù)在制作高靈敏度的納米光學(xué)器件以及生物傳感的應(yīng)用前景 【Light: Science & Applications 4, e308 (2015)】。

　　以上工作得到了中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委員會和科技部相關(guān)項目的資助。

圖1. 采用聚焦離子束折疊應(yīng)變加工制備的多種Au薄膜三維結(jié)構(gòu)

圖2. Au納米結(jié)構(gòu)中的異常法諾共振現(xiàn)象

圖3. Au薄膜三維納米結(jié)構(gòu)中的近紅外超靈敏折射率傳感特性