纳米光子学答卷

纳米光子学答卷

孙琼阁07B911004

1.纳米光子学的研究对象, 范围和意义是什么?

答：纳米光子学是在纳米尺度下处理光和物质的相互作用，是一门结合纳米科学与光子学的新型交叉学科。主要研究纳米尺度范围内的光学现象及其应用。其目的是通过制备新型纳米材料和器件对光子进行控制，研究广泛应用于信息处理和国防、安全、医疗以及生物科技方面的量子器件的物理学基本原理和新的应用方法。纳米光子学包含三部分内容：

（1）辐射场纳米尺度限制：光被限制在纳米尺度—比光的波长还小的尺度。有许多办法把光限制在纳米尺度范围，如使用近场光的传播；被压缩的光通过金属薄层和逐渐变细的光纤，在这里光通过一个比光波长更小的尖端开口发射。

（2）物质纳米尺度限制：物质被限制在纳米尺度，因此也就限制光和物质间的相互作用在纳米范围。对于光子学物质的纳米尺度的限制制成纳米材料，包括限制物质的尺寸产生纳米结构的各种方法。如人们能利用纳米粒子展示电子和光子的独特性质。发现这些纳米粒子正被用于纳米光子学的各种应用中，是令人满足的，如在遮光剂洗液中UV减震器。纳米粒子能构成有机材料和无机材料，Nanomers，是单节显性有机结构的纳米尺度的低聚体（小数量的重复单元），使纳米粒子的有机相似物。聚合体是大数量的重复单元的长链结构。这些Nanomers表现出依赖尺寸的光学性质。金属的纳米粒子表现出独特光学响应，增强电磁场，组成胞质基因学。有纳米粒子吸收两个IR光子转换到在可视的UV范围的一个光子，相反地，有纳米粒子，叫量子切割机，吸收一个真空UV光子转换成两个可视范围的光子。纳米材料很热门的一个领域是光子晶体，表示一个周期的电介质结构，具有光波长数量级的重复单元。纳米合成物由两个或多个不相似的材料组成的纳米范围的物质，是纳米尺度的相位差。在纳米合成物中每一个纳米域能告知粒子的光学性质。在不同域间的能量传输的光的能量流能被控制。

（3）纳米尺度下光处理：可使用到纳米平板印刷术中制作纳米结构，组成纳米传感器和激励器。纳米光学记忆是纳米制作令人激动的概念之一，纳米制作的一个重要特征是这个光处理能被限制到确定的纳米区域，以便能在精确的几何学和排列中被制作。

纳米光子学对不同的人具有不同的意义。一些人把纳米光子学主要看作近场作用和近场显微镜方法，而其他人则认为纳米光子学集中在光子晶体。主要方向是纳米材料，部分展示了他们的光学性质尺寸的依赖，这些是量子限制结构。对工程、纳米规模的光学设计及纳米平板印刷术是纳米光子学最相关的方面。

纳米光子学结合许多主要技术，如激光，光子学，光电子学，纳米技术和生物技术。这些技术每年能创造上万万美元的收入。纳米技术对各种学科也提供了许多机会，如

化学和化学工程

新奇的综合路线和纳米材料处理；分子纳米结构的新类型和超分子和纳米建筑体系的结合；表面修正产生纳米模板化学。

物理

量子电动力学在纳米腔中研究新奇的光现象；但光子源的量子信息处理；纳米规模的非线性光处理；电子之间、光子和光子间的相互作用的纳米控制。

设计工程

纳米平板印刷术用于发射器、探测器和连接器的纳米制作；发射器、传输系统、信号处理、和探测器，加上功率发生器的纳米规模的结合；光子晶体电路和基于显微腔的设计；光子晶体和细胞基因学的结合促进各种线性和非线性光学函数；激光器量子点和量子丝。

生物

对于光子学生物材料的基因操纵；生物原理指导光子材料的发展；对光子结构的新颖的生物胶体和生物模

板；生物传感器的纳米技术。

2. 比较光子和电子有什么同异之处:

(1) 光子和电子的特性

(2) 在自由空间和1-3维限制下的传播规律

(3) 纳米尺度下的相互作用规律

答：从物理意义上看，光子和电子都是基本粒子，都具有波粒二象性。不同点：从经典物理讲，光子定义为电磁波输送的能量，电子是物质的基本带电粒子；从量子意义上讲，

光子和电子都是波，波长均为p

h =λ，不同点为电子波长比光子的小；描述电子和光子传播和他们在介质中允许的能量值的本征值方程相同。光子是矢量场，光能被极化，而电子的波函数是标量；光子没有自旋和电荷，而电子有自旋和电荷。

在自由空间中传播，没有相互作用势或是常量。对于光子，折射率n 不变，电磁波为平面波，能量为

λωνhc

h E ===η

色散关系：k c =ω 表明光子频率或能量与波矢线性关系。

对于自由电子在自由空间传播，由薛定谔方程解得的波函数也是平面波，因此由波函数绝对值平方描

述的几率密度在每点都相同，符合电子的自由态。能量的色散关系为m

k E 22

2η=，与波矢是二次的关系。 从微观物理的角度考察：电子是费米子，带基本电荷，具有空间局域性。它可以是信息的载体，也可以是能量的载体。作为信息载体时，可以通过金属导线或无线电波在自由空间进行传递。电载信息的主要储存方式为磁储存。微电子技术发展了电子计算机，其信息处理的速度受到了电子开关极限时间10-10 s

的障碍，和大规模集成电路密集度水平以及并行技术的制约。

光子是玻色子，电中性，没有空间局域性而具有时间可逆性。它可以是信息的载体， 也可以是能量的载体。作为信息载体时，可以通过光纤（光缆）或自由空间进行传递，光载信息的主要存储方式为光储存。光子技术将发展起光子计算机，其光子逻辑或智能运算的信息处理速度将受到光子开关极限时间10-14s 的障碍，和光子集成光路密集度水平以及并行技术的制约。这些制约都远较电子技术所受制约宽松。 光子作为能量的载体时（只有光子简并度极高的激光束才能实现），高能激光束可以让物质改性，可以作高温热加工，甚至有望导致核聚变。由于激光波长比电子波长短很多，因而可以胜任非常精细的工作。

光子和电子的传播，在维数上可以通过在他们的传播路径使用变化的相互作用的势反射这些粒子限制他们的传播，因此把光子和电子的传播限制到一个或一组特定的轨道。

对于光子，这个限制能通过在高折射率或具有高表面反射率区域的诱捕光引进。这些限制的区域能是波导或腔共鸣器。如光平面波导，光纤，微球体光腔。这些限制在一维下能产生，如平面光波导的例子。在这，光传播被限制在高折射率的一个薄层内，光导层的折射率n 1比周围媒质的折射率n 2更高。在平面的波导粒子中，这个限制仅仅是垂直的（x 方向），传播方向是z 。在光纤或隧道波导中，限制x 是y 或方向。一个微球体是一个限制光在所有维的光媒质的粒子。在导向的媒质和周围媒质之间通过反射率比限制光，这个比n 1/n 2对光传播产生障碍起到散射势的作用。在光纤或隧道波导中，二维限制，电场E 等于

))((),(2

1z i z i e e z a y x f E ββ-+= 场分布和相应得传播常量可以通过解麦克斯韦方程和边界条件得到。波方程的解表明这个限制产生一定离散的场分布叫本征模，量子数（整数）。对于一维限制，仅有一个量子数n ，假设值0，1等等。从上面的描述，可以清楚地看到，限制产生了量子化，也就是说，场分布离散类型，通过一组量子数表示各种本征模。

现在我们看电子的限制也导致波性质的修改和产生量子化，即可能本征模的离散值。电子相应得一维、二维、三维的限制有量子井、量子线、量子点。限制电子的势是能量障碍，即在这样的区域，势能V 比点子的能量E 更高。经典中，电子将被完全限制在势能屏障中（墙），如果这个势能屏障是无限的，这是事实。然而，对于有限势屏障，波函数确实进入到屏障区，模式变成与光子相似。然而长模是不同的。但是，对于电子，有重要的更短波长，所以这个限制的维数必须在纳米的，产生重要的量子效应。

光子和电子都表现协作效应。对于光子，协作效应是非线性的光效应，在高场力（光强度）中被产生。对于电子，协作效应的例子是电子和电子在超导中的相互作用，及在半导体中电子空穴对和双电子空穴对的形成。

和光子相联系的电场通过使用许多几何学能被限制产生纳米尺度下的光的相互作用。光场能在横向和纵向两个方向被局域在纳米尺度。向轴方向的光的纳米尺度的相互作用通过渐消失的波和表面胞质基因波产生，而横向的相互作用通过使用近场几何学产生。表面胞质基因是电磁波，沿着金属层和绝缘体间的表面传播。

在两个相邻的离子间的纳米尺度下的电子的相互作用产生新的光吸收带或者允许新的多光子吸收。在半导体中起源于两个电子空穴对的双电子空穴对的形成是产生新的光吸收和辐射的例子。在分子系统，类似的效应是分子间的相互作用产生各种具有不同特殊性质的集合体。另外纳米尺度下相互作用产生受激二聚物叫做基态分子和基态二聚物（两个不同分子构成的二聚物）。纳米尺度下的相互作用也由受激态的能量改变产生，吸收分子回到基态，转变激发态能量到不同类型的较低能量的受激态的分子。

3. 光子晶体的能带和缺陷特性和光子晶体器件(光子晶体光纤等)

我们知道在半导体材料中,由于周期势场的作用,电子会形成能带结构,带与带之间有能隙(如价带与导带) ,使电子的能谱具有带状结构。在光子晶体中,由于介电常数存在空间上的周期性,对在其中传播的光波的折射率同样有周期性分布,光波的色散曲线也会形成带状周期性结构,带与带之间可能出现类似于半导体禁带的“光子禁带”(photonic bandgap) 。光子禁带是指在一定频率范围内的光子在光子晶体内的某些方向是

被严格禁止传播的。如果光子晶体只有一个方向具有周期性结构,它形成一维光子晶体,光子禁带只出现在该方向上,如果它在二维或三维均具有周期性结构,那么它将形成二维或三维光子晶体。特别是三维光子晶体,可能出现全方位的光子禁带,落在禁带中的光在任何方向均被禁止传播。具有光子禁带的周期性电介质结构,我们称之为光子晶体(photonic crystal) 。

虽然在自然界中也存在光子晶体的例子,比如蛋白质、蝴蝶翅膀等,但绝大多数光子晶体都是人工设计制造出来的光子晶体的最根本性质是具有光子禁带,落在禁带中的光是被禁止传播的。Yablonovitch 指出:光子晶体可以抑制自发辐射。因自发辐射的几率与光子所在频率的态的数目成正比,当原子被放在一个光子晶体里面,而它的自发辐射光的频率正好落在光子禁带中时,由于该频率光子的态的数目为零,因此自发辐射几率为零,自发辐射被抑制。反之,光子晶体也可以增强自发辐射,只要增加该频率光子的态的数目便可以实现,如光子晶体中混有杂质时,光子禁带中会出现品质因子很高的杂质态,具有很大的态密度,这样就可以实现辐射增强。光子禁带的出现依赖于以下几个因素:一是光子晶体的结构,二是介电常数的配比,三是光子晶体的几何构形。一般说来,如果光子晶体中2种介质的介电常数的差异足够大,在介质交界面就会发生布拉格散射而且介电常数比越大,入射光被散射的越强烈,出现光子禁带的可能就越大。光子晶体的另一个重要性质是“光子局域”(photon loca lization) 。John 于1987 年提出:在一种精心设计的无序介电材料组成的超晶体中,光子呈现很强的Anderson 局域。在光子晶体中,如果原有的周期性或对称性受到破坏,在其光子禁带中就有可能出现频率极窄的缺陷态,与缺陷态频率吻合的光子会被局域在出现缺陷位置,一但偏离缺陷位置光就将迅速衰减。

晶体内部的原子是周期性有序排列的，正是这种周期势场的存在，使得运动的电子受到周期势场的布拉格散射，从而形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。电子波的能量如果落在带隙中，就无法继续传播。其实，不论是电磁波，还是其它波如光波等，只要受到周期性调制，都有能带结构，也都有可能出现带隙。而能量落在带隙中的波同样不能传播。

在光子晶体中是由光的折射率指数的周期性变化产生了光带隙结构，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的运动。

光子晶体的结构可以这样理解，正如半导体材料在晶格结点（各个原子所在位点）周期性的出现离子一样，光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性的出现低折射率（如人工造成的空气空穴）的材料。高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙（Band Gap，类似于半导体中的禁带）。而周期排列的低折射率位点的之间的距离大小不同，导致了一定距离大小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应。也就是只有某种频率的光才会在某种周期距离一定的光子晶体中被完全禁止传播。

如果只在一个方向上存在周期性结构，那么光子带隙只能出现在这个方向。如果在三个方向上都存在周期结构，那么可以出现全方位的光子带隙，特定频率的光进入光子晶体后将在各个方向都禁止传播。这对光子晶体来说是一个最重要的特性。而且实际上，这种三维光子晶体也是最先被制造出来的。

因为光被禁止出现在光子晶体带隙中，所以我们可以预见到我们能够自由控制光的行为。例如，如果我们考虑引入一种光辐射层，该层产生的光和光子晶体中的光子带隙频率相同，那么由于光的频率和带隙一致则禁止光出现在该带隙中这个原则就可以避免光辐射的产生。这就使我们可以控制以前不可避免的自发辐射。

而如果我们通过引入缺陷破坏光子晶体的周期结构特性，那么在光子带隙中将形成相应的缺陷能级。将仅仅有特定频率的光可在这个缺陷能级中出现。这就可以用来制造单模发光二极管和零域值激光发射器（详见光子晶体应用）。而如果产生了缺陷条纹——即沿着一定的路线引入缺陷，那么就可以形成一条光的通路，类似于电流在导线中传播一样，只有沿着“光子导线”（即缺陷条纹）传播的光子得以顺利传播，其它任何试图脱离导线的光子都将被完全禁止。理想状态下我们已经实现了一条无任何损耗的光通路。这种光通路甚至比光纤更有效。

光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF），又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。这类光纤是一个二维的光子晶体，由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。独特的波导结构，灵活的制作方法，

使得PCF与常规光纤相比具有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域。在光纤激光器这一领域内，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作。目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。

折射率导光机理：周期性缺陷的纤芯折射率（石英玻璃）和周期性包层折射率（空气）之间有一定差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种结构的PCF导光机理依然是全内反射，但与常规G.652光纤有所不同，由于包层包含空气，所以这种机理称为改进的全内反射，这是因为空芯PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故。

光子能隙导光机理：理论上求解光波在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF的传导条件，即光子能隙导光理论。所示，光纤中心为空芯，虽然空芯折射率比包层石英玻璃低，但仍能保证光不折射出去，这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间距和小孔直径满足一定条件时，其光子能隙范围内就能阻止相应光传播，光被限制在中心空芯之内传输。最近有研究表明，这种PCF可传输99%以上的光能，而空间光衰减极低，光纤衰减只有标准光纤的1/2～1/4。

4.各种纳米材料的制备方法和纳米光刻加工技术

纳米光子学材料的形态与制备

纳米光子学材料的种类繁多，不同形态、原材料或制备方法制成的纳米材料有数千种。不同的纳米结构呈现出不同的特性，这些特性在实际应用中具有重要意义。下文列举几种主要形态的纳米材料，阐明它们的制备方法、特性和应用前景。

（1）纳米点

计算机硬盘的容量以嵌入其表面的磁粒子密度来量度: 1 GB等效于109 颗粒。当颗粒密度大于100

GB/in2 时, 热起伏会使微小和稠密颗粒的磁状态倒转, 继而使存储在硬盘上的数据消失。成型介质, 其中每个存储单元占有几个颗粒, 能帮助控制热稳定性, 因为整个存储单元的体积比单个颗粒的体积大得多,更大的存储单元能强烈地交换耦合、更清楚地确定和更少地倒转其磁状态。俄、美研究人员用直接激光干涉光刻术成型磁纳米点阵列, 用XeCl 激光器的308 nm 干涉光束在Co -C 薄膜上成型间距为650 nm 的二维磁点阵列, 磁点尺寸约250nm, 具有很好的热稳定性。进一步的工作是用更短波长的激光或同步辐射使干涉条纹更细,以产生由l /2 确定的稠密磁点。

（2）纳米团

美国乔治亚理工大学的研究人员证实由2~8 个Ag 原子组成的纳米团可以存储信息, 他们在玻璃片上淀积小于20 nm 厚的Ag 薄膜, 薄膜在玻璃片上形成岛, 岛与氧反应生成氧化银, 当用波长小于520 nm 的激光照射时,氧化银薄膜形成纳米团, 可在波长大于550 nm 的光照射下强烈地发出荧光。研究人员488nm、514.5 nm 氩离子激光分别在薄膜中写数据, 然后用汞灯滤光后产生的550 nm 的光读数据, 在显镜下观察, 纳米团发出绿、红和黄荧光, 荧光颜色取决于曝光时间或激光波长。如果荧光颜色可控, 即可实现在同一空间存储多个存储单元的数据。

（3）纳米线

美国劳伦斯贝克利国家实验室的研究人员采用高功率飞秒激光技术降低了ZnO 晶体纳米线合成中微颗粒的形成, 并产生尺寸分布很窄的结构, 由于该方法涉及非平衡过程, 有可能为开发基于纳米线的器件产生新的结构相和材料组份提供解决方案。他们用重复频率10 Hz、波长800 nm的掺钛蓝宝石激光器发射的10mJ 、100 fs 脉冲作为消融源, ZnO压缩粉末为靶, 涂Ag 蓝宝石作为淀积和纳米线生长的基片, 在1个标准大气压和约900 °C 温度下进行纳米线生长实验。电子显微图和光致发光测量显示ZnO 纳米线直径较均匀, 晶体特性较好。用Nd:YAG 激光器的266nm 激光抽运, 纳米线发射约380nm 的激光。

（4）纳米针

美国研究人员用脉冲激光淀积方法在Si 基片上形成具有室温磁特性的掺Co 的ZnO 纳米针阵列, 在

诸如自旋阀晶体管、自旋发光二极管和非易失存储器等自旋光电子器件的应用中前景诱人。用标准的陶瓷技术制备烧结的Zn0.95Co0.05O 靶, 并用Nd:YAG 激光汽化靶材料, 激光的波长、能量密度和脉冲频率分别为266 nm、2 J/cm2 和2 Hz。淀积前系统被抽真空到0.133 Pa , 其中O2 分气压为2.66 Pa , 淀积期间Si 基片温度保持在750 °C, 靶与基片的间距为45 mm, 总淀积时间为180min。高分辨率透射电子显微图和局域电子衍射图表明纳米针沿着ZnO 的c 轴、并垂直于Si(100) 基片优先地生长。

（5）纳米纤维

为了研究Co 纳米纤维的生长, 日本研究人员从覆盖Co 的铟锡氧化物靶上把Co 溅射到(001)立方氧

化锆上, 氧化锆基片的温度范围为470~770 K, 溅射在氩气环境中进行, 溅射速率为0.6 nm/s, 淀积厚度为300 nm。生成的Co纳米纤维的截面呈矩形, 边长取决于基片温度和Co 的体积分数,约为1~5 nm 。电子衍射图表明Co 纳米纤维沿单晶态的[112!0]或[11!00]方向生长, 具有hcp 结构。具有hcp 结构的Co 金属在[0001] 方向呈现强的磁晶体各向异性, 但是该薄膜的垂直磁各向异性源自形状磁各向异性。与已有方法相比, 新方法能通过改变基片温度和金属的体积分数产生高度受控的纳米纤维阵列, 可作为磁记录介质。

(6) 纳米片

中国科学院化学研究所的研究人员在没有任何外加模板的条件下, 用微波加热离子液体(IL)bmimPF4 中的HAuCl4 制成大尺寸的单晶Au 纳米片。在10mL 的试管中, 把适量的HAuCl4·3H2O 溶解于1mL 的IL 中, 然后将试管在126 W 的微波炉中加热一定时间, 再自然地冷却至室温,最后的混合物经乙醇稀释后用

离心机分离出产物, 并用水和乙醇清洗产物数次。从扫描电子显微图看到, 产物主要是不规则形状的Au 纳米片, 但也有一些是规则的(三角或六角)。Au 纳米片的厚度约50 nm, 长度大于30 μm, 比至今报道过的Au 纳米片的长度( 最大10 μm) 大得多。研究人员还在别的IL 中制备Au 产物, 发现大尺寸的Au 纳米片也可以从bmimPF6 溶液中制成。已知在传统的乙烯乙二醇溶剂中、在无聚合物表面活性剂的存在下、通过微波加热只能形成Au 粒子, 因此, 可以断定大尺寸Au 纳米片的形成直接与IL 的特殊性质和结构相联系, IL 的有序结构对Au 纳米片形成起到模板作用。该方法简单快速, 可以预料它能扩展到其它金属纳米片的制备。

光刻技术

EUV 光刻技术

EUV 光刻采用13nm 波长的软X 射线，设备的微缩投影光学系统倍率为4/ ，采用四镜形式，包括三块非球面和一块平面；掩模为在多层膜基底上添加重金属形成的反射式掩模。光源采用了气体喷射靶激光等离子体光源，工作气体为Xe 气体。激光等离子体光源产生的EUV 辐射，经过由多层膜反射镜组成的聚光系统聚光后,照明反射式掩模，并经微缩投影光学系统,在涂有光刻胶的硅片上复制被微缩四倍的掩模图形。EUV 光刻技术利用短波长曝光，可以在很小的数值孔径下获得线宽小于100nm 的图形,焦深足够长，满足实际生产的需要，是现有可见- 近紫外投影光刻技术向软X 射线波段(1～30nm) 的延伸，因此发展该技术具有良好的技术延伸性。尽管EUV 设备、掩模、工艺等方面的成本高,同时还有诸多待攻克的技术难关，尤其是深亚纳米级镜面加工和多层膜制备技术。然而,技术路线与解决问题途径也基本明确。

目前相当多的科学家为该技术是制造未来纳米集成电路的较佳候选者。劳伦斯·利弗莫尔国家实验室、NTT 公司、Canon 公司、Nikon 公司、俄罗斯别捷列夫物理研究所等在EUV 光刻领域做了很多卓有成效的工作。1992 年，NTT 研成带有扫描机构的样机,可在10mm ×1215mm 硅片上复制线宽达0115μm 的图形。1993 年至1994 年日立和Nikon 公司先后实现了0105μm 线宽的光刻复制。1995 年, 美国Sandia 国家实验室利用已建成的实验装置完成了线宽为011μm 门电路(NMOS) 的制作。1996 年起,国际上开始产、学、研联合攻关，计划到2007 年将制造DRAM 容量为16Gbit 、特征线宽011μm 的软X射线投影光刻设备工业生产。始于20 世纪70 年代末的我国EUV 技术研究涉及EUV 光源、EUV 辐射计量、超精密光学加工/检测和EUV 多层膜技术等。其中中国科学院长春光学精密机械与物理研究所在EUV 成像光学方面进行了国内领先的研究，近年在投影光刻的关键技术及系统集成上也有了重要进展。

电子束光刻技术具有极高的分辨率,其曝光的最小尺寸可以达到10～20nm ，英国剑桥大学微电子中心利用100kV 电子束曝光机制作出1～2nm 的单电子器件。电子束光刻是无掩模直写型的, 具有一定的灵活性,可直接制作各种图形。但是对于电子束曝光而言，获得大面积能量分布均匀的平行电子束一直是困扰电子束曝光的主要问题。目前在电子束投影曝光系统中, PREVAIL( Projection Reduction Exposure Variable Axis Immersion Lension) 技术实现了大量平行像素投影, 从而提高了曝光效率。PREVAIL 技术采用的曝光面积为1mm2 , 相对于传统电子束曝光,这无疑是惊人的进步。

纳米压印光刻技术

纳米压印技术是美国普林斯顿大学华裔科学家周郁在20 世纪1995 年首先提出的。这项技术具有生产效率高、成本低、工艺过程简单等优点,已被证实是纳米尺寸大面积结构复制最有前途的下一代光刻技术之一。目前该技术能实现分辨率达5 nm以下的水平。纳米压印技术主要包括热压印(HEL) 、紫外压印(UV - NIL ) 以及微接触印刷(μCP) 。纳米压印技术是加工聚合物结构最常用的方法,它采用高分辨率电子束等方法将结构复杂的纳米结构图案制在印章上, 然后用预先图案化的印章使聚合物材料变形而在聚合物上形成结构图案。

a.热压印技术

纳米热压印技术是在微纳米尺度获得并行复制结构的一种成本低而速度快的方法。该技术在高温条件下可以将印章上的结构按需复制到大的表面上,被广泛用于微纳结构加工。它的主要工艺过程如图所示。

热压印工艺流程

整个热压印过程必须在气压小于1Pa 的真空环境下进行,以避免由于空气气泡的存在造成压印图案畸变，热压印印章选用SiC 材料制造,这是由于SiC非常坚硬，减小了压印过程中断裂或变形的可能性。此外SiC 化学性质稳定，与大多数化学药品不起反应，因此便于压印结束后用不同的化学药品对印章进行清洗。在制作印章的过程中, 先在SiC 表面镀上一层具有高选择比(38∶1) 的铬薄膜，作为后序工艺反应离子刻蚀的刻蚀掩模,随后在铬薄膜上均匀涂覆ZEP 抗蚀剂, 再用电子束光刻在ZEP 抗蚀剂上光刻出纳米图案。为了打破SiC 的化学键，必须在SiC 上加高电压。最后在350V 的直流电压下, 用反应离子刻蚀在SiC 表面得到具有光滑的刻蚀表面和垂直面型的纳米图案。整个热压印过程可以分为三个步骤:

(1) 聚合物被加热到它的玻璃化温度以上。这样可减少在压印过程中聚合物的粘性,增加流动性, 在一定压力下，就能迅速发生形变。但温度太高也没必要, 因为这样会增加升温和降温的时间，进而影响生产效率, 对模压结构却没有明显改善，甚至会使聚合物弯曲而导致模具受损。同时为了保证在整个压印过程中聚合物保持相同的粘性,必须通过加热器控制加热温度不变。

(2 ) 在印章上施加机械压力, 约为500 ～1000 KPa。在印章和聚合物间加大压力可填充模具中的空腔。

(3) 压印过程结束后，整个叠层被冷却到聚合物玻璃化温度以下,以使图案固化，提供足够大的机械强度，便于脱模。然后用反应离子刻蚀将残余的聚合物( PM2MA) 去掉，模板上的纳米图案完整地转移到硅基底表面的聚合物上，再结合刻蚀技术把图形转移到硅基底上。

美国普林斯顿大学的Y. Chou 和MechaelAustin Stephen 用纳米热压印技术成功地制作了一个缝隙小

于10nm 的金纳米接点，为生产在分子自组装中有重要应用的大数目纳米接点提供了一种快速有效的方法,大大提高了成功捕获单分子的可能性。国内的一些单位如中国科学院光电技术研究所、长春光学精密机械与物理研究所等已经着手这方面的研究，但与国外相比还有一定的差距。

紫外压印工艺是将单体涂覆的衬底和透明印章装载到对准机中，在真空环境下被固定在各自的卡盘上。当衬底和印章的光学对准完成后,开始接触压印。透过印章的紫外曝光促使压印区域的聚合物发生聚合和固化成型。与热压印技术相比，紫外压印对环境要求更低,仅在室温和低压力下就可进行，从而使用该技术生产能大大缩短生产周期,同时减小印章磨损。由于工艺过程的需要,制作紫外压印印章要求使用能被紫外线穿过的材料。以往紫外压印工艺中印章是用PDMS 材料涂覆在石英衬底上制作而成。PDMS 是一种杨式模数很小的弹性体，用它制作的软印章能实现高分辨率。然而在随后的试验中发现由于PDMS 本身的物理软性,在压印过程中在外界低压力下也很容易发生形变。近来,法国国家纳米结构实验室提出使用一种3 层结构的软性印章,以减小紫外压印印章的形变。该印章使用2mm 厚的石英衬底，中间一层是厚度为5mm 的PDMS 缓冲层，顶层是由PMMA 构成。具体制作印章步骤是先将PMMA 均匀涂覆在被离子激活的PDMS 材料上，在PMMA 上镀上一层30nm厚的锗薄膜作为后续工艺中的刻蚀掩模,再在锗薄膜上涂覆对电子束灵敏度高的抗蚀剂，随后用电子束光刻及反应离子刻蚀就可在印章顶层PMMA 上得到高纵横比的图案,最后将残余锗薄膜移去即可。使用该方法可以在保持高分辨率情况下大大提高印章的坚硬度，减小印章压印形变,所示为在这种印章上获得的纳米图案。

纳米科技现在已成为倍受人们关注、最为活跃的前沿学科领域,它使人类在改造自然方面进入到原子、分子级的纳米层次，从而给国民经济和国家安全带来深远的影响。正像产业革命及微电子技术的出现和应用所产生的巨大影响一样，纳米科技的发展将带来一场工业革命,成为21世纪经济增长的新动力。纳米光刻技术是纳米科技发展的基础，它涵盖了从电子束到极紫外的宽光谱范围，包括纳米压印技术以及更多的创新性概念。目前美、日两国在纳米光刻领域的研究处于世界领先地位。2003 年东京精密和索尼以及其它各大厂家联合开发出低能电子束投影光刻(L EEPL)，它能达到30nm 线宽,价格仅为上代光刻机的三分之一。为了应对纳米技术的挑战，最近几年欧洲通过开展国家间的大型合作项目技术对纳米光刻技术进行深入的研究和发展，期望能衍生出更加完备的微加工技术方法，从而适于复杂图案和器件的制造。纳米光刻技术可用于纳米材料制作、纳米器件加工、纳米长度测量、纳米物质的物理特性研究等方面,还可用于对DNA 链和病毒进行处理等，在生物工程中具有重要的应用前景。