利用各種納米加工技術(shù)制備的納米結(jié)構(gòu)和器件在微納光子學(xué)、微納電子學(xué)、生物學(xué)及納米能源等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，但同時(shí)也對(duì)納米加工的尺寸、形狀、空間排列和組裝等工藝控制提出了越來(lái)越高的要求。現(xiàn)有的傳統(tǒng)納米加工技術(shù)（如電子束曝光、聚焦離子束直寫、陽(yáng)極氧化和自組裝技術(shù)）通常在實(shí)現(xiàn)無(wú)序、雜化、不規(guī)則及變徑等特殊納米結(jié)構(gòu)的可控加工上具有明顯的局限性，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多重納米結(jié)構(gòu)在材料和形狀上的精確調(diào)控，因此，需要一種能力更強(qiáng)大的納米加工方法以滿足特殊納米結(jié)構(gòu)的極端加工要求。

　　中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心微加工實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)致力于納米制造新方法和原理及其光電器件應(yīng)用領(lǐng)域的研究，在前期研發(fā)的亞5 nm金屬間隙結(jié)構(gòu)陣列的晶界斷裂與應(yīng)變加工（Adv. Mater. 2015, 27, 3002；Nanoscale. 2018,10,3073；Small. 2019, 15, 1804177）和納米折紙三維加工方法（Light: Sci. & Appl. 2016, 5, e16096；Adv. Mater. 2019, 31, 1802211；Nano Lett. 2019, 19, 3432；Laser Photonics Rev. 2020, 14, 1900179；Nat. Commun. 2021, 12, 1299）的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)的耿廣州（論文第一作者）在主任工程師李俊杰的指導(dǎo)下，與N10組研究員顧長(zhǎng)志合作，研發(fā)出一種基于軟模板的原子層組裝納米制造技術(shù)，解決了傳統(tǒng)剛性模板的問題，具有較好的靈活性、可擴(kuò)展性和普適性，其強(qiáng)大的納米結(jié)構(gòu)構(gòu)造能力可實(shí)現(xiàn)各種材料雜化、異形復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)陣列的可控裁剪加工和功能器件應(yīng)用。相關(guān)研究成果以Precise tailoring of multiple nanostructures based on atomic layer assembly via versatile soft-templates為題，發(fā)表在Nano Today. 2021, 38,101145上，并被選作該期刊第39C卷的封面圖片（Front Cover）。

　　研究人員首先利用電子束曝光技術(shù)在電子束抗蝕劑軟模板上曝光出設(shè)計(jì)的圖形，然后采用原子層沉積技術(shù)在軟膜板結(jié)構(gòu)內(nèi)共形組裝各種功能材料（如TiO₂、ZnO、Al₂O₃及HfO₂等），再通過分立刻蝕工藝去除頂層及軟膜板，最終制備出具有各種特異性的大面積復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)陣列（圖1）。這種基于軟膜板原子層組裝加工技術(shù)兼具電子束曝光的高分辨率和原子層沉積精準(zhǔn)可控及共形包覆的優(yōu)點(diǎn)，不僅可制備各種空心/實(shí)心的多重納米結(jié)構(gòu)，還實(shí)現(xiàn)在柔性襯底的加工，尤其可獲得超高深寬比（~80:1）、超高精度(~1 nm)、超薄管壁（~8 nm）且一致性好的極端納米結(jié)構(gòu)。基于該加工方法，研究人員還研發(fā)出一種多級(jí)管狀變徑納米結(jié)構(gòu)的加工工藝，采用多層抗蝕劑的原子層組裝加工技術(shù)，克服了使用常規(guī)微納加工工藝的多次套刻、步驟繁瑣耗時(shí)、加工精度不高等問題，完美制備出的各種變徑納米結(jié)構(gòu)陣列（圖2），其在光學(xué)超構(gòu)表面、多功能復(fù)用納米器件及生物領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。此外，利用該組裝加工技術(shù)，還可制備由多種材料雜化復(fù)合且多元有序可控的三維納米結(jié)構(gòu)陣列（圖3），其在多功能調(diào)控的光子晶體、三維環(huán)柵晶體管等納米光電器件的制備中具有應(yīng)用前景。

　　為了驗(yàn)證原子層組裝加工方法的功能器件應(yīng)用，研究人員利用該工藝，設(shè)計(jì)和制備出具有各向異性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的全介質(zhì)高效光學(xué)超構(gòu)表面器件，通過高長(zhǎng)徑比納米鰭狀結(jié)構(gòu)單元的不同角度旋轉(zhuǎn)及錯(cuò)位排列，實(shí)現(xiàn)了對(duì)寬波段矢量光束的任意偏振調(diào)控（圖4）。同時(shí)，還設(shè)計(jì)制備出具有高深寬比和大比表面積的Al₂O₃/TiO₂復(fù)合的中空六角納米結(jié)構(gòu)陣列，并與Pd納米顆粒相結(jié)合，基于異質(zhì)界面二維電子氣原理，構(gòu)筑了高性能的氫氣傳感器（圖5），獲得的傳感性能比傳統(tǒng)的平面氫氣傳感器具有較大提升，尤其在較低溫度所具備的高靈敏度和最短恢復(fù)時(shí)間，為高性能氫氣傳感器提供了理想方案。

　　這種原子層組裝納米加工方法賦予了傳統(tǒng)的曝光和組裝技術(shù)以更強(qiáng)大的加工能力和潛能，在多重納米結(jié)構(gòu)的可控加工中展現(xiàn)出較好的靈活性、可擴(kuò)展性和普適性，提供了一種更簡(jiǎn)單、更精準(zhǔn)的加工復(fù)雜三維納米結(jié)構(gòu)陣列技術(shù)策略，在先進(jìn)納米結(jié)構(gòu)和器件的多重設(shè)計(jì)、極端加工與功能實(shí)現(xiàn)過程中展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。

　　研究工作獲得科學(xué)技術(shù)部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院項(xiàng)目的資助。

　　論文鏈接 

　　圖1.軟膜板原子層組裝加工方法實(shí)現(xiàn)多重特異性復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)陣列

圖2.原子層組裝技術(shù)制備多級(jí)變徑納米管狀結(jié)構(gòu)陣列

圖3.原子層組裝技術(shù)加工的三種材料雜化復(fù)合的三維納米結(jié)構(gòu)陣列

圖4.基于原子層組裝加工設(shè)計(jì)制備的全介質(zhì)超表面實(shí)現(xiàn)高效寬波矢量光的任意調(diào)制

圖5.基于原子層組裝加工設(shè)計(jì)制備的氫氣傳感器及其快速高靈敏探測(cè)特性