高精度的三维微纳制造技术是现代光电子学和微纳光子学发展的重要基础之一,是实现下一代微纳光子集成器件的重要前提.纳米尺度的剪纸和折纸技术由于能够实现丰富的三维形变,正发展成为一门新兴的研究领域.本文系统地介绍了一种新型的片上三维微纳加工方法—基于聚焦离子束的纳米剪纸/折纸技术.该技术利用聚焦离子束辐照具有不同拓扑形貌的自支撑膜片,可实现优于50nm精度、前所未见的三维形状变换,包括片上、实时的多向折叠、弯曲、扭曲等形变.提出了“树型”纳米剪纸和“闭环”纳米剪纸两种类型的加工方法,并针对不同类型的工艺特性和优缺点进行分析对比.利用全局扫描纳米剪纸技术制备的闭环纳米结构实现了独特的光学效应,包括超光学手性、超构表面衍射、相位和偏振调控以及光子自旋霍尔效应等.研究结果表明,纳米剪纸/折纸形变技术在保持结构复杂性和功能性的同时,可实现高精度、原位、片上、一步成型的三维微纳加工,可望为三维微纳光子器件的设计、制备和应用提供一类新的设计方法和技术途径,乃至为相关微纳光学、微电子、微机电系统、生物医学等领域的发展提供新颖的加工平台.
关键词：三维微纳制造,纳米剪纸,聚焦离子束,光学手性
1引 言
剪纸艺术是我国古老的传统民间艺术瑰宝,以一把剪刀,一张薄纸,即可传递创作者的美好寓意.其发展源头可追溯到《史记》中所记载,西周初期周成王(公元前1055—1021年)将梧桐叶剪成“圭”状作为信物赐其弟并封侯,史称“桐叶封弟”[1].自东汉蔡伦于公元105年改进造纸术后,纸张开始普及,符合民情风俗的剪纸艺术便随之在民众中产生[2].目前中国发现最早的剪纸文物是公元386—581年期间的“北朝对马团花剪纸”[1],其复原图的精妙及复杂程度令人惊叹,如图1所示.随着时代更迭,具有自身独特魅力的剪纸艺术被视为民族文化中的一块活化石流传至今.
然而,早期的人们并没有关注到剪纸艺术中所包含的科学思想,直到剪纸文化于公元6世纪传播到日本后[3],才被人们作为一门独特的技术得到详细的记录和不断的发展,形成更为丰富的表达形式和科学延伸[4].在西方,剪纸和折纸最早是作为仪式的象征符号独立发展起来的,并于15世纪作为礼物、装饰、艺术品等在社会名流间盛行起来.1962年FlorenceTemko根据剪纸的日语发音(kiri意为“剪”,gami意为“纸”),在书籍《Kirigami,theCreativeArtofPapercutting》中用“kirigami”一词命名剪纸并被广泛使用[5],与剪纸相对应的还有折纸艺术的英文名称“origami”,同样源于日语(ori意为“折”),导致很多学者认为剪纸艺术起源于日本.需要说明的是,剪纸分为图形剪裁和结构形变两步,而折纸一般不包含剪裁部分,为介绍方便,在本文中统称这两类技术或方法为剪纸.
自2010年以来,剪纸技术作为一种新颖的三维加工方式被广泛应用于机械、医疗、微电子、声学、光学等领域[6?12],并在各个空间尺度得到了开拓性的发展,比如外太空飞行器的太阳能帆板折叠技术[10]、微纳机电系统[7]、生物医学设备[12]以及微纳米级机械和光子材料[6,8,9,13,14].而随着现代材料和制造领域的飞速发展,剪纸技术近年来在三维微纳加工领域也具有较大的发展空间[15?18].这项技术无需多层平面堆叠工艺所要求的精准拼接[19],也不需要三维激光制备过程中的三维精确平移[20,21],就能实现从二维平面图形到三维立体结构的丰富形变,所制备的结构在连续性、复杂性、几何构造演化、动态调谐等方面显示出独特的优势[7].
在微纳尺度实现剪纸形变的手段主要分为应力控制形变和机械引导形变.其中应力控制的折叠、弯曲等现象本质是利用不同应力作用到不同区域,为达到最后的应力平衡使得结构发生形变.因此要实现预期的结构形变,关键是要对结构施加合适的应力.而针对环境和材料的差异,在微纳尺度结构上施加应力的方法可分为毛细作用力[22?26]、薄膜残余应力[27?30]、主动材料法[31?36]等,如图2(a)所示[16].例如,对于不同材料堆叠而成的多层薄膜,当用腐蚀等方法移除底部的牺牲层后,悬空的结构因残余应力的存在会发生自行卷曲形变(图2(c))[28,37];对于主动材料,通过改变温度、湿度等参数,可以使结构产生空间上的非均匀应力分布,从而使二维图案形变得到三维结构(图2(d))[32,38].此外,通过对结构进行拉拽等机械手段也可实现对形变的精确控制,得到复杂的三维结构.例如,2015年张一慧课题组[39]先在衬底上做好预先设计的二维图案,再转移到一张预拉伸的衬底上进行局部固定,衬底被释放后发生收缩,导致二维图案隆起形成复杂多样的三维结构(图2(e)).同年,Blees等[13]将石墨烯裁剪成各种典型的剪纸结构,利用机械探针、激光诱导或磁场调控等方法,完成了石墨烯从二维到三维的剪纸形变过程,如图2(f)所示.最近,高鸿钧课题组[40]在低温下利用扫描隧道显微镜操纵石墨烯,可沿任意方向对石墨烯纳米岛进行反复折叠和伸展,最终成功将石墨烯加工成原子级精确度的复杂“折纸”结构(图2(g)).
由此可见,利用剪纸/折纸形变构筑新的结构正逐渐形成一个独特的研究领域,但在微纳尺度,这类研究还面临诸多挑战.这是因为,以往的在微纳尺度上的剪纸/折纸技术,首先要预先设计好结构形貌和应力施加方案,再经过一系列不可逆的工序形成微纳结构,中间步骤很难修改、添加或删除.因此实现片上、原位、可控的三维纳米剪纸成了很多科研学者追求的新目标.基于前期的探索工作[41,42],为展现纳米剪纸在三维微纳加工方面的卓越能力及其应用潜力,为国内同行提供一定的研究参考,本文着重介绍和总结基于聚焦离子束(focusedionbeam,FIB)辐照的纳米剪纸加工原理、技术及其应用.对以往的基于FIB折叠/弯曲的研究工作(即下文的“树型”纳米剪纸)进行总结,重点介绍了近期发展的基于结构拓扑形貌引导的纳米剪纸概念(即下文的“闭环”纳米剪纸),并采用这两种类型的加工方法制备几何形貌丰富的三维微纳结构.更重要的是这些纳米剪纸结构具有的独特光学效应,如多重法诺(Fano)共振及其强耦合作用,超光学手性,超构表面衍射、相位和偏振特性以及光子自旋霍尔效应(photonicspinHalleffect,PSHE)等.这些研究及制备的纳米结构可以为发展多功能三维制造技术(如三维纳米智能制造、新型4D打印等)、表面等离激元光学、纳米光子学、光力学、微纳机电系统等提供新的技术支持和研究思路.
2基于聚焦离子束的三维纳米折叠/剪纸
制造技术的微纳米尺度化赋予了微观结构新的物理特性,伴随着人工微纳结构领域的迅速发展和微纳器件应用需求的不断提高,微纳制造技术向三维空间扩展成为一种必要和必然的趋势.然而,传统的自上而下和自下而上的半导体工艺、纳米颗粒自组装技术,以及三维激光直写等技术,遵循的是一种线性序列,大部分通过逐层加工二维平面来堆叠三维空间或三维逐点加工构建立体结构,工艺的复杂度和结构复杂程度成正比.而将FIB作为加工手段引入到三维纳米折叠/剪纸技术中来,可形成独特的从二维平面到三维立体结构的形变科学,从而突破传统三维微纳制造的线性累加思维,在结构的连续性、复杂性、几何构造演化、动态调谐等方面显示出巨大的发展空间和应用潜能.本节首先从原理和应用两部分对FIB纳米剪纸技术进行简单介绍,进一步深入讨论利用FIB所构建的纳米剪纸的类型以及结构变形的不同特性.
2.1聚焦离子束微纳加工简介
FIB系统中液态金属离子源产生的离子经过高压抽取和加速后,可通过电透镜和偏转透镜照射到样品表面的指定位置,在撞击过程中可剥离样品表面的原子达到切割或研磨的目的,最终实现微纳米结构的加工.文献[43]中,基于FIB纳米剪纸的主要工具是标准的FIB刻蚀系统,即一台双光束FIB/SEM系统(FEIHelios600i),其液态离子源为镓(Ga)离子,加速电压为8—30kV,束流从24—80pA(实际上,纳米剪纸的必要条件是获得一定形式的应力分布,在具体设备方面具有通用性.实验结果表明,其他形式的离子源,如氦离子源刻蚀系统,也能够实现类似的功能).长久以来,FIB作为一种纳米加工手段,在使用的过程中往往伴随着残余应力、表面损伤、离子注入等难以避免的现象.而纳米剪纸方法却正是充分利用这种由镓离子和金膜碰撞而产生的“不希望的”残余应力来改变样品的表面形貌,实现微纳米结构的直接无掩模加工[43].具体来说,如图3(a)所示,当金纳米薄膜(本文中为自支撑的金纳米薄膜,厚度为80nm[43])受到高能离子束照射时,会发生若干物理过程,主要过程可总结为以下四方面[43,44]:1)一些金原子被溅射离开表面从而产生空隙,剩余的金原子发生颗粒聚合[45,46],导致在薄膜表面附近产生张应力;2)一些镓离子被注入到金膜内部,产生压应力;3)镓离子的撞击使得一些未被溅射出的金原子发生位移;4)金原子和镓原子发生再沉积现象.SRIM软件可用于模拟预测空隙和注入的镓离子的范围[43].如图3(c)和图3(d)所示,在30kV电压下,加速的镓离子撞击到金膜上,使在接近表面的20nm范围内存在注入的离子和产生的空隙.即FIB对一定距离的金膜影响较大,但底层金膜几乎不受直接影响.用图3(b)中的双层应力模型来描述在离子束辐照下金膜的受力分布情况[43].考虑到表层金膜受各种物理过程的综合影响且受直接影响的厚度很薄(<20nm),可用一个均匀分布的等效张应力进行描述.而底层金膜主要因为表层金膜间接带动发生弹性形变,因此具有从上到下的梯度应力.在该模型中,由于张应力占主导地位,于是受到FIB全局辐照后的舌型结构向上弯曲,如图3(e)所示[43].理论计算出的结果与实际的弯曲完全一致,充分说明该模型的准确性.
自20世纪80年代离子束系统被成功应用于半导体行业以来,FIB技术已成为亚微米制造和无掩模工艺的有效方法之一[47,48].在利用FIB进行实际的纳米加工过程中,人们发现经过扫描的一些地方会意外出现缺陷、损伤或不良应力,因此,人们在使用FIB时通常都要尽量避免额外的离子束扫描.然而,Yoshida等[49]将这一缺点充分利用起来,在2005年展示了FIB导致纳米结构弯曲的现象(图4(b)).接下来,2006年Park等[50]利用FIB实现了碳纳米管的弯曲(图4(c));同年北京大学吴文刚课题组[51]使用该方法在悬空薄膜上制备出了三维螺旋(图4(d))和立方框架结构;2007年麻省理工学院Arora等[44,52]系统地研究了基于FIB的三维形变折叠工艺(图4(e)).这些研究表明,自支撑薄膜上的FIB辐照可以使得纳米结构发生折叠和重组[37,50,51,53?60],如图4(f)—(i)所示[54,55,57],意味着FIB有可能成为纳米尺度剪纸形变过程的“纳米手”.但由于缺乏实际应用,该技术在随后的数年里发展缓慢.直到2015年中国科学院物理所微加工实验室崔阿娟等将该技术首次应用于构建近红外波段的三维超构材料[57],如图5(a)和图5(b)所示,展示了该方法在光学波段的首次应用,从而激发了大家利用该技术发展光学应用的极大兴趣,陆续制备出具有多重Fano共振[58,60,61]、光的选择性传输(图5(c))[62]、中红外光开关(图5(d))[59]、环偶极子共振(图5(e)和图5(f))[60,63]等优异光学性能的三维微纳结构.然而,所有这些方法以及它们的应用都未提出或论证“纳米剪纸”的概念.这主要因为此类折叠过程比较简单,人们可以轻易预测折叠产生的结构效果,无需引入其他概念;同时,大家在这类研究中采用的依然是一种串行的线性加工思维,即结构各形变部位之间相互独立,与剪纸加工思维大相径庭.
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