1 香港城市大学电机工程系，香港 999077
2 香港城市大学生物系统、神经科学和纳米技术中心，香港 999077
3 香港城市大学太赫兹及毫米波国家重点实验室，香港 999077
超构光学为平面光学器件的发展提供了新的思路与方向。超构器件由亚波长人工纳米结构组成，能在二维平面上实现对入射光的振幅、相位和偏振的操纵。研究人员已经发展了多种超构表面技术，将其用于满足各式各样的光学需求。本文首先回顾了超构器件的前沿研究与技术发展现状，介绍了超构器件的广义设计流程，并以连续宽带消色差超构透镜为例进行逐步说明，帮助读者理解；然后，展示了多种超构器件加工方法，包括直写刻蚀、图案转移刻蚀和混合图案刻蚀等，进一步讨论了超构器件在成像应用中的发展，包括偏振成像、光场成像、光学感测以及生物成像等；最后，进行了总结，并对超构器件未来的发展提出了见解与展望。
光学设计 超构器件 超构表面 纳米加工 光学成像
首先综述了当前X射线透镜的分辨率和效率的水平,预测并讨论了发展我国波带片透镜、赶超国际先进水平的技术路径图。在原有100 nm分辨率波带片和会聚透镜工艺基础上,综述了电子束光刻结合金电镀进一步发展30~70 nm分辨率的X射线波带片的最新进展。在研发30 nm分辨率的波带片中,电子束光刻中的邻近效应严重限制了波带高宽比,而现有商业软件(基于蒙特卡罗模型和显影动力学)的邻近效应修正在同时处理从微米到30 nm的各种图形时效果甚微。为此,本团队针对70 nm分辨率的硬X射线波带片采用了图形修正法,实现了20∶1的波带高宽比,针对50 nm分辨率的硬X射线波带片采用了分区域修正法,获得了15∶1的波带高宽比;30 nm波带片透镜的金属化摒弃了传统的直流电镀工艺,采用脉冲金电镀,实现了金环均匀电沉积,成功研制了30 nm分辨率的软X射线波带片透镜和30~100 nm的大高宽比分辨率测试卡。所有研制的波带片透镜在上海同步辐射装置得到了X射线光学成像验证。
光学学报
2022, 42(11): 1134005
1 中国科学院微电子研究所，北京 100029
2 中国科学院大学集成电路学院，北京 100049
当今世界离不开信息产业，信息产业离不开半导体集成电路芯片制造技术，即微电子技术。集成电路芯片制造工艺中最关键的就是光刻技术。光刻技术开始于1958年美国德克萨斯公司试制的世界上第一块平面集成电路，在短短的60年中，光刻分辨率极限一次又一次被突破，创造了人间奇迹。作为微电子技术工艺基础的光刻技术与微/纳米加工技术是人类迄今为止所能达到的精度最高的加工技术。光刻加工尺寸从百微米到10 nm，加工手段从钢板尺手术刀照相机到电子束光刻，光源波长从光学曝光到极紫外曝光。集成度提高了约百亿倍，特征尺寸线宽缩小到原来的约1/10000。随着纳米集成电路迅猛发展，光刻技术也从等效摩尔时代进入后摩尔时代。
激光与光电子学进展
2022, 59(9): 0922031
1 中国科学技术大学微电子学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学技术大学微纳研究与制造中心, 安徽 合肥 230026
3 中国科学技术大学精密机械与精密仪器系, 安徽 合肥 230026
4 南通职业大学机械工程学院, 江苏 南通 226007
5 合肥师范学院化学与化学工程学院, 安徽 合肥 230601
飞秒激光直写技术相比于传统加工方式以及其他先进的微纳米加工手段在可控微纳米结构加工方面具有一定的优势,如无需掩模、适合任意材料、热效应小等,因此被用来制备多样化的仿生微纳米结构表面,开发各种领域的应用,如自清洁、油水分离、水雾收集等。分析了利用飞秒激光在不同材料上制备多样微纳米结构的形成机理和设计思路,总结了国内外有关通过飞秒激光制备仿生微纳米表面的最新研究进展,并从表面润湿性的相关概念及理论模型、飞秒激光可控制备多样微纳米结构以及相关工业生活应用等方面进行了探索研究。最后分析了目前飞秒激光加工技术在微纳米制造领域存在的困难和挑战,并对未来其在相关领域的发展进行了展望。
激光光学 飞秒激光 微纳米加工 可控微纳米结构 特殊润湿性 仿生应用 激光与光电子学进展
2020, 57(11): 111406
复旦大学 信息科学与工程学院 专项集成线路与系统国家重点实验室，上海 200433
综述了国内外在纳米加工X射线衍射光学透镜方面的研究现状和最新进展。介绍了作者团队过去三年在这方面做的工作。针对衍射透镜关键技术，研发了具有大高宽比形貌的电子束光刻基础工艺; 结合金电镀，提出了纳米尺度波带片的制造技术，并将该工艺成功扩展于分辨率板(Siemens star)和集成光栅型会聚透镜的研制。运用蒙特卡罗模拟和显影动力学，探索了电子束光刻技术所能够实现的最大高宽比以及造成这种限制的物理根源; 成功研制了50~100 nm的波带片透镜(其中，100 nm波带片高宽比为16∶1)、50~300 nm的分辨率测试板(其中，300 nm测试板高宽比为10∶1)和200 nm的会聚透镜(高宽比为10∶1)。对所研制的光学部件在同步辐射光源进行了实验表征。结果表明，100 nm波带片聚焦斑尺寸为234 nm，测试板和会聚透镜的光学特性与国外同样光学部件到达同等水平; 会聚透镜辐照的均匀性为99%。最后，总结了近几年我国X射线衍射透镜的发展进度，指出了衍射光学部件光学性能发展的最大瓶颈是分辨率与衍射效率相互制约，提出了提高光学部件衍射效率的具体途径，给出了我国X射线衍射透镜技术的未来发展路线图。
X射线衍射光学部件 波带片 电子束光刻 纳米加工 会聚透镜 分辨率板 同步辐射光源 diffractive X-ray optics zone plate electron beam lithography nanofabrication condenser Siemens star synchrotron radiation source 光学 精密工程
2017, 25(11): 2779
1 湖南大学 信息科学与工程学院, 湖南 长沙410082
2 湖南大学 物理与微电子科学学院, 湖南 长沙410082
基于10 nm尺度图形加工技术, 通过改变金属纳米结构的大小和形貌, 利用金属纳米结构的表面等离子体共振性能开发出SEM纳米彩色图片制作技术, 使得图形的像素在60 nm尺度可控(约100万dpi)。利用图像处理技术可以快速生成加工版图, 而通过电子束曝光和沉积技术则能够得到结构不同的Au/Ag纳米颗粒。结果表明: 由于结构不同的Au/Ag纳米颗粒的表面等离子体共振性能不同, 使其发光性能覆盖了可见光波段。本文通过改变Au/Ag纳米颗粒的大小, 利用图像处理算法对不同大小的Au/Ag纳米颗粒进行排列组合, 从而得到SEM纳米彩色图片。
表面等离子体共振 纳米加工 金属纳米结构 图像处理 plasmon resonance nanofabrication metal nanostructures image processing
江苏大学光子制造科学技术中心, 江苏 镇江 212013
介绍了一种全新的基于飞秒激光局域场加强效应的纳米加工技术,通过使用了微焦级别脉宽为130 fs、波长800 nm的飞秒激光照射于原子力显微镜的探针针尖,利用其局域场加强效应在金薄膜表面加工出各种纳米图形。对加工参数对加工线宽的影响中,我们发现了随着加工能量的减小和加工速度的不断增大将导致加工线宽不断减小,最终达到了极限线宽(～10 nm)。这项技术可以广泛的应用与各种材料的加工中,尤其适合各种金属薄膜的加工,特别是结合了现有的自动化控制系统更是可以加工出任意复杂的二维纳米图形。
飞秒激光 局域场增强 纳米加工 原子力显微镜
1 中国科学技术大学精密机械与精密仪器系,安徽,合肥,230027
2 江苏大学,材料科学和工程学院,江苏,镇江,212013
介绍了一种基于原子力显微镜(AFM)的激光近场增强纳米加工方法.探讨了作为主要影响因素的激光场增强效应,用时域有限差分法对AFM探针下光场的空间分布进行了数值分析.研究了飞秒激光入射到AFM探针的PMMA材料的图形化,在PMMA材料表面加工了不同宽度的线条和字母.利用AFM对所得纳米图形进行了原位测试.在激光参数未经优化的情况下,其线宽可达100 nm,超过了实验室飞秒激光远场加工的分辨能力(200 nm).
纳米加工 局域场增强 PMMA 光学 精密工程
2007, 15(12): 1959
1 中国科学院,大连化学物理研究所,短波长化学激光国家863重点实验室,辽宁,大连,116023
2 大连理工大学,三束国家重点实验室,辽宁,大连,116023
3 中南大学,粉末冶金国家重点实验室,长沙,410083
利用传统光学加工方法,采用陶瓷磨盘和金刚石微粉对国产化学气相沉积(CVD)SiC进行了粗磨、细磨加工;然后,利用颗粒直径从4 μm到1 μm的金刚石研磨膏逐级进行抛光,发现SiC表面存在纳米级划痕;最后,改用颗粒直径为20 nm氧化铝纳米颗粒的碱性水溶液进行抛光,表面粗糙度达到0.6 nm(RMS),表面纳米级划痕得到很好改善,获得了较高表面质量的超光滑表面.
化学气相沉积 SiC材料 光学加工 超光滑表面 纳米加工 表面粗糙度
同济大学,精密光学工程技术研究所,上海,200092
利用多普勒原理对Cr原子束进行横向准直.为了得到好的激光准直效果必须首先把激光的中心频率稳定在偏离Cr原子共振中心频率-5±0.26 MHz的位置上.经过多次的理论与实验得出了优化的实验参量,并且得出如果探测光束与准直光束不平行会造成横向线宽的展宽.根据实验数据选择合适的实验参量,实现利用多普勒原理横向准直Cr原子束,得到准直后Cr原子束的横向发散角为0.48 mrad, 横向温度为265 μK.
激光准直 多普勒冷却 原子光刻 纳米加工 Laser collimation Doppler cooling Atom lithography Nanofabrication
