基于非挥发性常温离子液体的三维微纳米结构的聚焦离子束辐照聚合化加工技术

聚焦离子束入射到固体材料表面，与材料中的原子核和电子相互作用会产生一系列的物理过程,并形成具有各种不同特征的信号。一方面，FIB本身可以直接用于样品微观信息观测。另一方面，FIB可以通过溅射对材料表面进行定点刻蚀、切割、修复；还可通过不同的液态金属源离子在材料中的注入，对衬底形成掺杂，用于材料的改性、调制与特种器件的制作。此外，在FIB系统中引入金属有机物气态分子源，可形成聚焦离子束诱导的纳米材料与三维结构的生长。这些功能与聚焦离子束的高分辨率，软件控制的精确扫描，以及离子与物质相互作用产生的各种信号的利用相结合，使FIBs成为微纳加工不可缺少的工具,在材料、物理、化学、生物、能源等领域有着广阔的应用前景。尤其是在三维纳米加工领域，FIB诱导的化学气相沉积可用于自支撑微纳米材料的生长、结构及纳米器件的制作；FIB辐照还可对一维，二维与三维纳米材料进行形变操纵，用于复杂纳米结构的构建。

在过去几十年的发展中，气态与固态物质一直是聚焦离子束作用的主要对象。而对于液态物质，如常规的水溶液与有机物质，通常认为不适合在真空环境中处理而严格禁止使用。直至室温下离子液体的出现，这种格局逐渐被打破了。离子液体是一种有机盐，具有低于室温的熔点，其阻燃性能好，蒸汽压极低并具有较高的离子电导率，因此激起了人们广泛的研究兴趣，尤其是在真空技术研究与应用中。最近，日本大阪大学应用化学系的Kuwabata等，发展了一种聚焦离子束辐照诱导的双(三氟甲烷磺酰)酰胺液态离子聚合化用于三维微纳结构加工的新方法，其简单原理图如图1a所示。通过离子束扫描，聚合物发生铰链或断链反映，通过增加离子束扫描的剂量，使聚合反应从上表层逐渐向衬底方向推进，直至与衬底相连。然后通过显影，可获得图形。由于聚焦离子束设备可以很灵活的控制离子束的扫描图形形状、位置以及扫描参数，因此可以加工各复杂构型的三维结构，如图2所示的茶杯，空气桥以及木堆结构等。结构的高度可高达几微米，特征尺寸可达到百纳米。这些实验结果为三维真空直写加工技术的研究与新型功能微纳米结构的研究提供了新思路。相关研究结果发表在近期《科学报道》杂志上【Scientific Reports 4, 3722 (2014)】

图1：聚焦离子束辐照诱导的双(三氟甲烷磺酰)酰胺液态离子聚合化用于三维微纳结构加工原理图

图2：聚焦离子束辐照诱导液态离子聚合化所制备的三维微纳结构