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

　　下面請看關于他的科學故事：

　　實驗室里往來穿梭的人，穿著密密實實的連體服，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號樓一樓的納米光子學與儀器技術實驗室，西湖大學最干凈的地方之一——實驗室采用正壓設計，每一間都是“超凈室”，不僅人不能隨意進出，而且即使打開門，也要確保空氣只能從實驗室內部向外流動。

　　納米光子學與儀器技術實驗室是做什么的？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，有一項叫“冰刻”的技術，是他們的重點研究方向之一。

　　相信大家小時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？

　　近兩個月來，實驗室負責人仇旻和他的研究團隊在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別的“冰雕”上，他們已然游刃有余——從精確定位到精準控制雕刻力度，再到以“冰雕”為模具制作結構、加工器件，一套以“wafer in, device out”為目標的“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”四個字就出現(xiàn)了。

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

　　傳統(tǒng)電子束光刻技術的關鍵步驟

　　假設我們要在硅晶片上加工四個納米尺度的金屬字“西湖大學”，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（相當于肉眼看不見的“雕刻刀”）在真空環(huán)境中將“西湖大學”四個字寫在光刻膠上，對應位置的光刻膠性質會發(fā)生變化；再用化學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”進鏤空位置，使之“長”在晶片表面；最后再用化學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鍵的材料。所以有人說，中國要制造芯片，光有光刻機還不夠，還得打破國外對“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。這個動作有點像攤雞蛋餅，如果鐵板不平整，餅就攤不好。同時，被抹膠的地方，面積不能太小，否則膠不容易攤開攤勻；材質不能過脆，否則容易破裂?！背饡F實驗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，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備后，先給樣品降溫再注入水蒸氣，水蒸氣就會在樣品上凝華成薄薄的冰層。”趙鼎說，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。對應“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起名“冰刻”。

　　實際上，一旦將光刻膠換成了冰膠，由于水的特殊性質，還能夠極大地簡化加工流程。

　　“當電子束打在冰層上，被打到的冰‘自行消失’，因為電子束將水分解氣化，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院回國任教后不久，就開啟了“冰刻”研究計劃。經過六年的努力，他和他的團隊將“冰刻”從紙上談兵變成現(xiàn)實，完成了國內首臺“冰刻”系統(tǒng)的研發(fā)。來到西湖大學后，仇旻在國家自然科學基金委重大科研儀器研制項目（自由申請類）的支持下，全力研發(fā)功能更加強大的“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已在實驗中雛形初現(xiàn)，中間圓型的“中轉艙”是實現(xiàn)一站式的關鍵，樣品每完成一個步驟，都將被送回到這里，再由機械臂將其送入下個步驟的“操作間”。

　　研究團隊已經從多個維度入手，不斷提升“冰刻”技術。

　　例如，團隊成員掌握了如何“精準定位”。想要有效“雕刻”冰膠，電子作用強度有一定要求，強度太弱冰膠不會消失。這讓原本僅作為“刻刀”使用的電子束新增了“定位器”的功能。當加工多層式三維立體結構時，可以先用低強度的電子束（減少對冰層損壞）透過冰膠，觀察并找到下層已經完成的結構；精確定位后再加大強度，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雜昂貴的對準裝置，能夠輕易實現(xiàn)幾十納米的加工定位精度。

　　仇旻實驗室2019級博士研究生吳珊，找到了控制“雕刻力度”的方法。她通過實驗發(fā)現(xiàn)，冰膠去除厚度與電子作用強度呈線性關系。也就是說，“刻刀”在冰上鑿刻時，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系要復雜得多，電子束“雕刻”時力道控制的精準性和靈活性就會受到約束。

　　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。

　　仇旻實驗室訪問學生洪宇和其他團隊成員，則發(fā)現(xiàn)不費“吹灰之力”就可以清除加工廢料。他們利用冰刻技術不僅在光纖端面（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構。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，加工同心圓結構及圖BCD所示的結構，其中B圖單個結構寬度200納米，C圖單個領結型結構中心間隔30納米，D圖單個圓環(huán)外徑660納米、寬度110納米。

　　從冰層沉積開始到吹除廢料結束，加工全程不涉及化學溶劑。

　　除此之外，利用冰在電子作用下與材料發(fā)生的獨特反應，“我們可以將只有一個原子層厚度的二維材料‘冰刻’成任意形狀，通過人工構造的方式使材料產生奇特的性質?！背饡F實驗室2019級博士研究生姚光南目前正在開展這方面的研究。

　　“Wafer in, device out.”短短四個單詞，形象地描繪出他們?yōu)楸?.0制定的遠大目標——一進一出，送進去的是原材料，拿出來的是成品器件。

　　仇旻說，從本質上講，“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。復旦大學物理系主任、超構材料與超構表面專家周磊教授表示，這項工作對于研發(fā)集成度更高、功能性更強的光電器件具有重要的現(xiàn)實意義?！啊獭梢詫⒐鈱W前沿的超構表面與已經廣泛應用的光纖有機結合，既給前者找到了合適的落地平臺，又讓后者煥發(fā)了新的生機?！彼f。

　　痛并快樂著的寂寞舞者

　　這是一群寂寞的冰上舞者。仇旻團隊已在“冰刻”這塊試驗田深耕了八年。

　　最初，他了解到哈佛大學的一支研究團隊演示了面向生命科學領域的“冰刻”加工雛形，這給了他靈感，讓他看到了這項技術在微納加工領域的巨大潛力。

　　這是一個無人區(qū)。仇旻用夢想的力量，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)這個課題?！安蛔隹登f大道上的跟隨者，而是獨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。

　　仇旻和團隊成員在調試冰刻系統(tǒng)2.0。

　　“冰刻”原理簡單明了，但是儀器的實現(xiàn)則異常艱辛。團隊需要對原有的電子束光刻設備進行大量改造。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，說起來很簡單，實際上經過了一次次實驗，溫度要多低、注入口和樣品的距離要多遠、注入量和速率要多大……都得一一驗證?！?/p>

　　趙鼎畢業(yè)之后，師弟洪宇接力，為冰刻系統(tǒng)的研發(fā)繪制了幾十稿設計圖紙。因為沒有現(xiàn)成的可以購買，多數(shù)情況下必須自己動手，他惡補了很多真空技術和熱學方面的知識。

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

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

　　“但這是一項令人激動的新技術?！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，但這正是基礎研究的意義和樂趣所在?！倍斘覀儼岩暯欠糯蟮街袊圃斓谋尘跋拢趶闹圃鞓I(yè)大國向制造業(yè)強國的轉變中，對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。

　　仇旻團隊部分成員合影。

　　在仇旻團隊最新發(fā)表的文章結尾，他們用一種非常科幻的方式展望了“冰刻”的未來。毫無疑問，未來圍繞“冰刻”的研究，將聚焦于那些傳統(tǒng)“光刻”能力無法企及的領域。受益于水這種物質得天獨厚的生物相容性，在生物樣本上“冰刻”光子波導或電子電路有望得以實現(xiàn)。而這將史無前例地提高人為干預生物樣本的能力，同時開辟出全新的學科交叉和研究方向。

　　南美的蝴蝶扇動一下翅膀，引來大西洋的一場颶風。誰說沒有這樣的可能性呢？

　　附：文中提及的相關科研論文

　　（按發(fā)布時間為序）

　　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