飞秒激光直写三维无机纳米结构研究获进展

　　近年来，三维（3D）无机纳米结构的精确可控制备技术是研究热点，在航空航天、微电子器件、量子芯片、太阳能电池和结构材料等领域具有重要作用。无机材料前驱物容易结晶，导致难以一次性直接制备3D无机微纳结构。激光3D打印技术是制备三维无机微结构的重要手段之一，但在制备无机微结构时，其特征尺寸和加工分辨率受到材料和光学衍射极限的限制，难以实现纳米尺度制备。器件的微型化、集成化和3D立体化，对3D无机纳米结构的特征尺寸提出了越来越高的要求，发展超衍射3D纳米光刻技术，制备具有纳米特征尺寸的3D无机结构成为亟待解决的问题。
　　近日，中国科学院理化技术研究所仿生智能界面科学中心有机纳米光子学实验室研究员郑美玲团队联合暨南大学教授段宣明团队，在飞秒激光超衍射纳米光刻技术制备3D无机纳米结构研究方面取得了新进展。科研团队以波长为780 nm的飞秒激光（重复频率为80 MHz，脉冲宽度为120 fs）作为光源，突破光学衍射极限的限制，在无机光刻胶HSQ（氢倍半硅氧烷）中获得了仅为激光波长三十分之一（λ/ 30）的26 nm光刻特征尺寸，并制备出具有优异的耐高温和耐溶剂性能的3D无机微结构。此外，研究还利用飞秒激光超衍射纳米光刻技术构筑了多种基于无机纳米结构的光子学微器件和仿生微结构。相关研究成果以λ/30 Inorganic Features Achieved by Multi-Photon 3D Lithography为题，发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。
　　HSQ是一种无机光刻胶，作为典型的电子束光刻胶被广泛应用于微纳器件的图形化。由于其本征吸收波长短（探索了阈值效应对飞秒激光超衍射纳米光刻技术加工的HSQ微结构特征尺寸的影响规律。随着HSQ同时吸收光子数的增加，有效光强分布曲线变得越来越窄，同时越来越陡峭。当飞秒激光的能量逐渐逼近阈值能量时，会得到具有极小特征尺寸的HSQ结构。研究人员剖析了激光能量、扫描速度和扫描方式等加工参数对特征尺寸的影响规律，通过精细调节激光的加工参数，得到了自支撑的33 nm 和26 nm HSQ纳米结构，实现了λ/30的特征尺寸，为基于HSQ微结构的新型无机纳米器件的研究奠定了基础。
　　进一步，研究运用该技术构筑了HSQ3D微结构，并探究了其耐热性能。利用飞秒激光加工HSQ双层网格3D微结构，该网格结构由纳米尺度HSQ线条组成。将该无机3D微结构分别加热到400 、500  和600 ，扫描电镜结果表明加热至400 引起上述3D微结构的轻微收缩，进一步加热到600 ，上述3D结构没有发生坍塌或严重变形现象，组成该3D微结构的纳米线条也未发生断裂，很好地保持了3D微结构的完整性。结果表明，飞秒激光超衍射光刻技术加工的HSQ3D无机微纳结构能够承受600 的热处理，具有良好的耐热性能。
　　研究还利用该技术构筑了HSQ仿生结构色和光学微器件菲涅尔透镜。模仿自然界蝴蝶翅膀的多层堆叠结构制备了＂HSQ-空气-HSQ＂的周期性3D堆叠结构，该结构在可见光范围内具有明显的结构色。经过600 的加热处理，该结构色没有消失，而是发生颜色的蓝移，展示出优异的耐热性。针对基于HSQ同心圆环的微型菲涅尔透镜，在对532 nm激光束进行聚焦时，得到半峰宽仅为0.76 微米的聚焦光斑，展示出优异的光束聚焦能力。将上述HSQ微型菲涅尔透镜加热到400 ，其聚焦能力没有发生明显变化，聚焦光斑的半峰宽仅仅增加到0.8微米，表明该微型菲涅尔透镜具有良好的耐热性能。进一步将热处理的HSQ微型菲涅尔透镜浸泡在常见的化学试剂中发现，微型菲涅尔透镜经化学溶剂处理后聚焦性能没有明显变化，甚至对98%的浓硫酸也展示出良好的耐受性。HSQ微结构表现出优异的耐热性和耐溶剂性，为飞秒激光直写适用于严苛环境的无机微纳结构和功能器件奠定了基础。
　　研究团队充分利用近红外波长飞秒激光的非线性光学效应，实现了3D无机纳米结构的构筑，为3D复杂微纳结构的制备提供了高效、便捷的技术途径，有望进一步拓展3D无机微纳结构在涉及微电子、光学和生物等领域的应用。
　　研究工作得到国家重点研发计划＂纳米科技＂重点专项、国家自然科学基金、北京市自然科学基金和中科院国际伙伴计划等的支持。
　　图1.飞秒激光直写无机纳米结构的光场分布示意图
　　图2.飞秒激光直写的3D HSQ双层线条阵列结构的耐热性研究
　　图3.飞秒激光直写的具有耐热性和仿生结构色的HSQ双层阵列结构
　　图4.飞秒激光直写具有耐热性和耐溶剂性的微型菲涅尔透镜器件