微加工实验室 2015年10月21日
三维纳米结构既可具有纳米材料与结构所赋予的量子效应、尺寸效应与表面效应等新奇物性，又可通过三维几何结构实现电声子输运与耦合、自旋极化、激子行为、波阵面调控等物性的协同调制，获得平面器件不具有的功能。目前，三维纳米结构的可控加工方法明显不足，阻碍了三维纳米器件的发展，并制约着高端纳米产业化技术的形成。为获得性能优异的三维纳米结构与器件，国内外展开了多种三维纳米加工技术研究，主要包括自组装生长、纳米印刷、飞秒激光加工以及载能粒子束加工技术等，但如何实现三维空间的可控加工和三维纳米结构的功能化，仍是具有极大挑战性的课题。
近年来，中国科学院物理研究所/北京凝聚态国家实验室（筹）微加工实验室的刘哲工程师、李无瑕副主任工程师、李俊杰主任工程师和博士生崔阿娟及顾长志研究员等人系统地开展了基于聚焦离子束技术的三维纳米结构与器件的可控加工技术研究，并取得了一系列的进展。他们发明了一种基于聚焦离子束的应变诱导三维纳米结构加工新方法，即利用离子束辐照产生的注入效应以及由入射粒子能量转换与传递产生的温度效应，在纳米材料中产生局域化表面再构、缺陷、晶体结构变化，实现了三维空间诱导的纳米材料形变，以此构建三维功能纳米结构与器件。这种基于聚焦离子束的应变加工方法可兼有高精度、多维度、跨尺度、可设计以及可控等特点。他们首先利用这一技术构筑了一维金属W的自支撑纳米间隙、纳米接触以及纳米多肢体等多种三维纳米结构，证实了这些结构可具有高达5.2K的超导临界转变温度以及较好的机械性能与热稳定性 [Appl. Phys. Lett. 100，143106 (2012)；Appl. Phys. Lett. 102, 213112 (2013)]。之后，他们利用这一技术实现了自支撑铂纳米线沿径向的组分与微结构的非均匀生长，并通过热致应变规律的探索与量化处理，掌握了形变的可控手段，获得了硅锥顶部的自支撑纳米点接触以及将ZnO双层纳米浴盆进行固定的微笼结构，显示了该方法在三维纳米电学、光学、磁学以及生物分子学等领域的应用潜力[Scientific Reports. 3, 2429（2013）]。
最近，他们与物理所光物理实验室的李家方副研究员、李志远研究员，英国索尔福德大学的沈铁汉教授以及同济大学的李宏强教授等合作，将聚焦离子束应变诱导三维纳米结构的加工方法推广到了二维薄膜材料体系，发展了一种基于离子束辐照的折叠应变加工方法，可将平面内的结构多次有序折叠，实现纳米结构单元在空间、尺寸、周期与几何形貌可调制的大面积可控加工。该方法可在金属、介质以及复合纳米薄膜上进行三维结构的构建。利用这一技术，他们设计并构建了一系列基于金纳米薄膜的孔洞-垂直开口谐振环（MH-VSRR）三维等离激元微纳结构。这些结构在红外-近红外波段具有明显的异常法诺共振现象，并可用于高灵敏度的光折射率传感，在近红外波段的灵敏度高达2040nm/RIU，是目前该波段同类结构已报道的最高值。显示了这种三维纳米加工技术在制作高灵敏度的纳米光学器件以及生物传感的应用前景 [Light: Science & Applications 4, e308 (2015)]。
以上工作得到了中国科学院、国家自然科学基金委员会和科技部相关项目的资助。
相关链接：http://www.nature.com/lsa/journal/v4/n7/full/lsa201581a.html
图1：采用聚焦离子束折叠应变加工制备的多种Au薄膜三维结构
图2：Au纳米结构中的异常法诺共振现象
图3：Au薄膜三维纳米结构中的近红外超灵敏折射率传感特性