項目名稱： 光子束超衍射納米加工技術與應用基礎研究 首席科學家： 段宣明 中國科學院理化技術研究所 起止年限： 2010 年 1 月 8 月 依托部門： 中國科學院 一、研究內容 一、 擬重點解決的關鍵科學技術問題 （ 1）光子束超衍射納米加工的實現途徑與機理 利用光子束實現超衍射納米加工，其科學問題的本質是一個納米尺度下光與物質相互作用過程的控制問題。在無掩模納米光刻技術中，其關鍵所在是如何利用超衍射結構對光進行局域，如何利用加工材料的光阻和熱阻特性將其相變范圍控制在納米尺度。在多光子三維 納米加工技術中，如何將發生多光子激發過程及其所誘發的光化學反應過程控制在納米尺度是其核心問題。這一問題可以歸結為實現非線性光物理效應所導致的物理化學過程的納米尺度控制問題。 （ 2）光子束超衍射納米加工的極限分辨率與精度控制問題 光子束超衍射納米加工的物理與化學極限，其實質是解決“弱束縛微區內發生的高度非平衡反應的尺寸控制”這一科學問題，是實現光子束超衍射納米加工的極限分辨能力與精度的關鍵所在。本項目將通過光與材料相互作用的非線性機理與閾值效應、激光參數與材料特性對加工精度的影響、加工精度與幾何形貌的控制機理 等研究，解決上述科學問題，挑戰光子束超衍射納米加工的加工分辨率極限與加工精度。 （ 3）功能納米結構制備原理、特性及相關基本科學問題 進行結構、材料與表面功能化設計，明確功能納米結構制備原理，發展相應的制備工藝，闡明功能納米結構與特性之間的關系是利用光子束超衍射納米加工技術實現功能納米結構制備與應用需要解決的關鍵科學問題。本項目擬通過設計、制備不同材料的二維、三維納米結構以實現結構功能化，實現半導體、金屬及無機功能材料的納米結構制備；采用在加工材料中進行功能分子與納米材料摻雜等方法解決材料功能化問題；通過表面 修飾等方法在二維、三維納米結構表面實現功能分子與納米材料的組裝以解決納米結構的表面功能化問題。 （ 4）基于光子束超衍射納米加工的器件制備工藝創新與應用探索 要利用光子束超衍射納米加工技術實現器件制備工藝的創新，必須解決光子 束超衍射納米加工技術與半導體加工技術的匯聚問題。本項目將重點解決在半導 體功能器件制作中的工藝兼容性、穩定性及可靠性問題，擬通過設計制備具有高 分辨特性且適合于光子束超衍射納米加工技術的光阻材料，利用正、負型光阻材 料特性，實現不同器件結構制備工藝的創新，制備出相應的納米器件。 二、 主要研 究內容 針對上述關鍵科學技術問題，本項目將開展以下四類研究工作。主要研究內容如下： 第一類：光子束超衍射納米加工原理的基礎研究 掩模激光直寫納米加工技術的物理、化學機理研究 研究激光與光刻膠、金屬材料以及半導體相變材料的相互作用光物理過程和光化學反應機制等納米加工機理，明確各種相關物理參數的影響及關系，建立納米尺度下的基于半導體相變材料和光刻膠的無掩模、基于金屬材料體系的灰度掩模激光直寫納米加工理論體系。研究 超衍射 結構中介質層、金屬層與 加工對象的組分與形態對納米加工尺度的影響，針對不同加工對象物 質建立相應的模型 ，明確 超衍射膜層 結構與加工尺度之間的關系，澄清其物理機制。 光子納米加工中的物理、化學機理與理論體系 以聚合物和金屬材料為對象 ， 研究包括多光子效應的光物理過程與光化學反應機理 等 多光子納米加工機理， 闡明 納米尺度下多光子過程的 作用機理與 控制機制，明確各種相關物理參數的影響及關系，建立基于納米尺度下光與物質 非線性相互作用的多光子納米加工理論體系。研究多光子加工過程中加工對象 、 材料 組分與形態對納米加工尺度的影響，針對不同加工對象物質建立相應的模型 并 明確加工參數。 研究利用波前整形技術對激光光 束質量進行調制，研究激光光束的偏振、形狀等參數對多光子過程的影響。 子束超衍射納米加工的極限分辨率與精度 研究加工中的化學反應擴散、熱量擴散過程對加工分辨率的影響。研究在光刻膠中通過引入阻聚組分對限制聚合反應擴散的影響。研究利用表面活性劑限制光還原過程中金屬納米粒子的生長。研究溫度對加工分辨率的影響，嘗試低溫條件下的加工。研究激光參數、掃描條件、近鄰效應、前、后處理條件對加工精度的影響。通過優化材料組分、加工條件及相關過程，實現 50 納米加工分辨率及10 納米加工精度，挑戰極限加工分辨率與加工 精度。 第二類：光子束超衍射納米加工的關鍵技術基礎研究與平臺 研制 子束超衍射納米加工高保真制備工藝 研究加工方法、加工條件、材料特性、后處理過程對加工結構保真度的影響機理與 控制方法 ，明確 結構 設計與加工結果之間的關系，建立包括結構設計與修正參數在內的結構高保真加工制備體系，為器件精密制備提供結構設計與加工的基礎和方法。 子束超衍射納米加工的平行加工技術 進行平行加工光學系統設計，發展大規模、快速、多光束 超衍射納米加工 技術 。 針對不同器件與系統加工制備要求，設計研制易于控制、具有組合與集成特征的 平行加工系統，發展高分辨、高精度 超衍射 納米 光子 平行加工技術。 于激光直寫技術的納米光刻技術平臺 研制 針對金屬材料、相變材料和光刻膠實現 可見波長 激光直寫 納米加工的技術 平臺 ， 獲得實現大面積、高精度、 快速、 可重復加工技術，研究解決實現高加工分辨率的方法，用可見光實現 100 納米 以下 的加工分辨率。研究材料組分、膜層結構、加工參數對加工物結構的 特征尺寸 、最小線間距、表面粗糙度等結構參數的影響機制， 明確 針對不同材料與結構的 加工參數 。 光子三維納米加工技術平臺 研制 采用可見及近紅外激光作為光源的多光子 三維納米加工技術平臺， 重點研究有機材料、金屬材料 、半導體材料等 進行多光子納米加工時 前驅物成分、激光參數對納米加工分辨率的關鍵影響因素， 研究材料 組分 、加工參數、加工方法對加工物結構的 線寬、 長徑比、最小線間距、表面粗糙度等結構參數的影響機制，明確鄰近效應對加工精度的影響，確立多光子三維納米加工關鍵工藝 。 第三類： 納米結構制備工藝創新的相關基礎研究 能材料二維 、三維納米結構加工工藝原理 與方法 針對聚合物、金屬、半導體、介質材料等具有不同功能與特性的材料， 研究相應的利用光子束超衍射納米加工技術進行二維、 三維納米結構加工的工藝原理與方法。研究光子束超衍射納米加工技術與半導體加工技術的匯聚問題，實現聚合物、半導體、金屬等功能材料的二維、三維納米結構。 以微納尺度光子學器件為對象，研究基于光子晶體的二維、三維微尺度光波導、布拉格光柵等無源器件與微尺度光放大器等有源器件的設計原理與高精度制備技術。 光子三維納米加工用材料功能化原理與方法 通過反應性熒光染料的設計合成、半導體納米發光材料的原位合成與控制、半導體量子點的表面改性與摻雜等方法，研究 制備具有發光特性的 適合于多光子三維納米加工的光聚合樹脂，以實現三 維微納結構的發光功能。通過設計合成高折射率光聚合樹脂、在樹脂中摻雜高折射率無機納米粒子等方法，提高材料的折射率，實現器件的 光學特性高性能化 。 米結構的表面功能化原理與方法 進行三維納米結構表面設計，采用功能性分子表面反應、納米材料表面吸附等方法對結構表面進行改性，賦予三維納 米 結構 表面特異的 功能特性 ，研究修飾物分子 及納米材料 與 三 維納米結構 之間 的相互作用，以及表面修飾對 三 維納米結構 化學和物理性質的影響。 米掩模 的 加工原理、方法與應用 尋找具有連續灰階功能的簡單材料體系作為灰度掩模材料，替代基 于復雜材料體系 璃或基于鉻版的灰度掩模材料，以大幅降低成本。在此基礎上 研究利用無掩模納米光刻技術制備 納米 灰度掩模。通過連續和階躍灰度掩模技術制備微光學陣列和楔型波導器件；通過無掩模技術和灰度掩模技術制備微流器件。 第四類：納米器件制備工藝創新與應用探索 型柵結構 高電子遷移率晶體管的制備技術 研究三維 T 形柵的結構設計與超衍射納米光子加工工藝，自由地改變三維 化三維 T 形柵的形狀和結構穩定性，在有機薄膜材料上形成三維 T 形柵立體結構 ，通過模式反轉技術在半導體材料上實現 100 納米 柵長的三維 T 型金屬柵結構。在 高電子遷移率晶體管上實現 三維 T 形柵電極，設計新型器件結構，優化器件工藝，提高器件制備工藝的穩定性和可靠性。研究 型柵的柵長和結構穩定性的關系。 屬 微結構傳感芯片的研究 研究基于金屬納米陣列結構的表面等離子體共振效應，理論分析 其 表面等離子共振譜線與陣列結構參數的關系，采用電磁數值模擬方法計算并優化金屬納米陣列結構共振波長對環境參數的變化關系；結合光子束超衍射納米加工技術及半導體加工工藝制備金屬薄膜納米陣列芯片，探索 在同一芯片上實現多個傳感單元的低成本快速制造方法；測試和表征金屬納米陣列結構的光譜響應，分析其共振峰值與環境參數的變化關系，探索初步的生化傳感實驗研究。 靈敏度量子點光電傳感器研究 研究量子點調制摻雜場效應管的器件結構設計、優化與材料制備。進行無掩模納米光刻制備高靈敏度量子點場效應管光電傳感器的工藝技術探索，實現器件性能并達到或超過現階段國內外水平。 利用 無 掩模 光刻技術制備超薄肖特基柵，研究 量子點調制摻雜場效應結構的光電探測特性。研究提高 器件 光電響應量子效率的 途徑 。 靈敏度三維微納傳感器 構 筑 原理與應用探索 構筑新型三維納米化學傳感器 ， 研究三維納米結構傳感器在被檢測物環境下其吸收、發光或拉曼散射的波長、強度等變化規律，實現對多種化學被檢測物的高靈敏 、 高選擇性 檢 測。 研究 目標物對三維納米結構電學性質的影響，實現基于三維納米結構場效應管式化學傳感器。 通過在 功能電極上實現二維、三維納米結構，增加電極的比表面積，提高電極的靈敏度 。研究三維納米結構 對物質在電極表面擴散傳輸 過程，構筑基于三維納米結構的電化學手性傳感器 。 研究 光化學與電化學 傳感器結構與 其 靈敏度及選擇性 之間 的關系，研究不同結構傳感器的檢測極限及線 性響應范圍和非線性修正方法。 二、預期目標 1 總體目標 深入研究并解決光子束納米加工技術中的重大關鍵基礎科學問題， 在可見光及近紅外激光的納米結構加工 原理、技術 及其應用方面取得突破， 發展具有自主知識產權、具有國際先進水平的 高精度、大面積、可重復、低成本的 光子束超衍射納米加工 技術， 確立在新型納米加工技術領域國際競爭中的優勢地位， 增強在納米器件研究開發領域的自主創新能力，推動我國的科技進步。 2. 五年預期目標 1) 突破經典光學理論衍射極限的限制， 發展光子束超衍射納米加工理論， 以 可見及 近 紅外激光作為光源，實現 50 納米加工分辨率、 10 納米加工精度 ，挑戰極限加工分辨率 。 2) 建立無掩模納米光刻和多光子三維納米加工技術平臺， 實現高精度、大面積、可重復、低成本、 無苛刻實驗條件限制的 納米結構加工。 3) 制備 出可 用于微光學陣列、微流控器件及半導體器件 等納米加工的 具有連續和階躍的灰度掩模。 4) 制備出基于二維、三維光子晶體的微尺度 光波導、布拉格光柵等無源器件與微尺度光放大器等有源器件 和高靈敏度三維納米結構化學傳感器。 5) 制備 柵長 100納米二維 金屬柵 或 透明柵 的 高靈敏度量子點場效應管光電傳感器 ， 提高器件的光電響應量子效率 ， 實現 對極微弱信號的高度敏 感 探測 。 6) 實現 100 納米柵長的三維 T 型柵金屬結構加工，制備 出 高電子遷移率晶體管的 T 型柵結構。 7) 探索金屬納米結構陣列傳感芯片低成本快速制作方法，通過金屬納米結構芯片表面功能基團修飾，實現傳感功能。 8) 通過本項目實施，培養和造就一支在納米加工技術和器件研究領域具有國際影響力的科學研究隊伍和研究基地，在相關領域躋身于國際先進行列，在發展中起到引領作用。 9） 發表高質量學術論文 80，申請 10發明專利，組織 1高水平的國際學術會議，依托本項目培養 50 余名博士研究生。 三、研究方案 術思路 本項目 以光與物質相互作用的多種物理效應為 出發點 ，采用非傳統方法突破光學衍射極限限制實現光子束納米加工 ， 運用理論計算、物理建模、實驗技術體系建立、實驗驗證等方法從理論與實驗 兩方面入手， 通過對 光與物質 在納米尺度下的光物理、光化學相互作用原理與過程的 深入 研究，闡明 光子束超衍射納米加工 的基本規律，建立 光子束超衍射納米加工 理論 ，實現納米尺度 加工 分辨率 與加工精度。 建立相 應的 技術平臺， 確立 光子束超衍射納米加工 的關鍵核心技術體系 。針對 光子束超衍射納米加工 技術的應用， 通過綜合進行器件設計、器件制備原理、材料功能化、結 構功能化、精密制備技術、器件結構表征與性能評價等方面的研究，建立材料、結構與器件性能之間的關系，制備功能性納 米 器件 、高靈敏度傳感器 ， 并探索其應用途徑 。 總之， 本項目以發展納米加工新原理為出發點，在新型納米加工方法與關鍵技術研究的基礎上，研制關鍵設備、建立技術平臺，在功能材料上實現二維、三維納米結構，通過與現有納米加工技術的匯聚，實現納米器件制備，探索其應用途徑，從而形成新型納米加工技術及其應用的完整價值鏈。 術途徑 子束超衍射納米加工原理的基礎研究 掩模激光直寫納米加工技術的物理、化學機理研究 加工過程中的物理機制： 研究金屬及其合金、半導體相變材料等不同特性的材料與光子束相互作用的特點， 采用 飛秒泵浦探測技術 研究超短時間內發生的光熱過程機理，研究光能量的熱轉化過程、光能量密度閾值的作用以及對受體材料選擇的影響和限制，搞清光束波形對加工結構邊緣的作用，發展可行的光束調制方法； 針對光刻膠和可見光的相互作用，通過摻雜等手段，調制光刻膠的光吸收波段，特別是需要調整光波 波形以期達到邊緣的整齊。通過引入自局域的概念探索改性光 刻膠，以達到縮小光刻尺度的目的。研究 高數值孔徑系統與 光刻膠的匹配問題。 工過程中的材料機制： 深入研究 受體材料的熱擴散、光熱轉換效率、自局域非線性特征、合適的轉化能量閾值、穩定性、經濟性等問題 ，為從科學原理上進行合理的解釋提供堅實的基礎 。 深 入研究和討論受體材料的膜層結構設計 對 光束自局域 的 非線性 作用，闡明非線性自局域效應的機理與作用與 受體材料 及膜層設計之間的關系 。 光子納米加工中的物理、化學機理與理論體系 光子納米加工的光物理過程： 針對光聚合體系， 深入研究多光子過程中激光參數（能量、偏振、脈寬、重復頻率等）對 多光子激發過程 的影響，澄清除多光子吸收以外的光物理過程對光聚合體系加工的 作用和 影響。 針對金屬離子溶液體系，研究由多光子過程誘導的 熱效應、電離、等離子及自由電子的產生等物理過程對金屬離子還原的影響 ， 深入 研究相關機理， 分析 激光參數對 金屬納米結構 的 影響 ，為實現具有良好導電性能的金屬納米結構制備提供理論依據 。 光子納米加工的光化學過程： 針對光聚合體系，研究多光子吸收誘導的自由基聚合與陽離子聚合過程中光聚合引發劑多光子吸收截面、引發 聚合反應的量子效率特性、引發劑濃度、聚合單體種類、聚合單體配比等對納米尺度光聚合反應及其結構的影響，建立納米尺度光聚合反應的理論模型與加工結構尺寸、形貌的相關理論模型。 針對金屬離子溶液體系，深入研究 微膠束對 光化學還原與控制的 機理 ，為實現納米尺度的金屬結構制備提供科學基礎 。 子束超衍射納米加工的極限分辨率與加工精度 對上述光物理與光化學過程研究進行綜合分析，建立 光子束超衍射 納米加工的理論體系。在澄清上述機理的基礎上，通過深入的實驗研究，挑戰多光子納米加工分辨率極限，利用激光直寫技術 實現 50 納米及以下的加工分辨率 。 深入研究 光子束超衍射納米加工中所涉及的 反應類型、材料 結構與 特性、加工條件與加工方法 、加工中的近鄰效應、 后處理方法 及 條件對加工物結構的長徑比、最小線間距、表面粗糙度等結構參數的影響，利用 共聚焦顯微鏡等手段對所加工的納米結構參數進行測量，建立加工條件與結構參數之間的關系，明確加工精度控制機制與參數，實現納米尺度加工精度控制。 光子束超衍射納米加工的工藝創新、關鍵技術基礎研究與平臺研制 子束超衍射納米加工高保真制備工藝 利用 3圖軟件及 程工具 等手段 進行加工結構模型的設計、采用亞毫秒級曝光時間控制技術和皮焦級曝光能量控制技術 ， 實現曝光時間及曝光能量的精確控制 。 利用逐點連線和逐段掃描兩種運動方式實現掃描速度的精確控制 。 深入研究加工方法、加工條件、材料特性、后處理過程對加工結構保真度的影響機理與尺度，明確設計與加工結果之間的關系，建立包括結構設計與修正參數在內的結構高保真加工制備體系，為器件精密制備提供 高保真制備的 結構設計與加工 技術及 方法。 子束超衍射納米加工的平行加工技術 利用微透鏡陣列和衍射分束元 件將激光進行分束，研究其能量分布、光束配置設計與控制方法，研制易于控制、具有組合與集成特征的平行加工系統， 建立具有 大規模、快速 、可組合集成等特征的 多光子納米加工技術 體系，為解決微納器件制備、微尺度元器件進行系統組裝時所存在的難題提供切實可行的解決方案 。 于激光直寫技術的納米光刻技術平臺 研制 具有刻制方便、快捷、無需真空等 苛刻條件 、價格便宜 等特點 ，特別適合于在 實驗室 水平進行多樣化 原 型 納米器件 制備，可在半導體、金屬和絕緣體上自動刻 制任意圖形納米結構，既可用于掩模制備又可用于無掩模光刻的系統。采用 405 納米波長的半導體激光器、 100100米級步長移動臺、全自動的光電控制系統、高精度實時聚焦系統、超快速光功率調整和穩定控制、實時 描新技術、自適應光學軟件開發、高數值孔徑長工作距離物鏡等諸元實現高精度、大面積、快速的光刻平臺，并通過 模 塊化設計實現易拆裝組合和小型化的 目標。 光子三維納米加工技術平臺 采用鈦寶石飛秒激光器及其倍頻波長激光作為光源，采用計算機控制的光學掃描系統與高精度壓電納米移動平臺、快速光功率調制系統、實時 測系統、高精度光學聚 焦系統、高數值孔徑物鏡等設計并研制出可進行高精度、快速、并行、重復加工的技術平臺。研制系統的控制軟件、結構設計軟件等，針對聚合物、金屬、半導體等具有不同特性的功能材料，建立相應的二維、三維復雜納米結構加工條件參數與工藝數據庫。 功能材料納米結構制備工藝創新與特性的相關基礎研究 能材料二維、三維納米結構加工工藝原理、方法與特性的基礎研究 按照 材料 和 納米結構 的特點，采取不同的 加工原理與方法 。 針對聚合物系統，以三維納米結構及其光子學特性為重點，進行微尺度發光器件的結構設計優化與 性能評價。 針對 金屬納米結構激光納米加工 ,采用激光多光子光化學還原反應制備金屬納米結構，研究材料組成、激光參數等因素對所加工的結構尺寸、精度的影響及機理，實現線寬為 100 納米以下的金屬納米線多光子制備 ， 研究三維金屬納米結構的激光加工方法，嘗試制備金屬納米復雜結構 。 針對半導體材料，以化合物半導體材料為對象，研究半導體前驅物的二維及三維納米結構加工及后處理工藝，研究加工參數對半導體特性及納米結構的影響。 光子三維納米加工用材料功能化原理與方法的基礎研究 通過 功能性分子設計與合成、納 米復合材料設計與合成、材料表面修飾與改性、激光材料內部改性等方法與手段 ，研究 用于器件與系統的相關材料功能化與高性能化的原理，解決在多光子加工中的納米尺度相容性問題，為實現微尺度發光器件提供材料功能化基礎。 根據器件功能要求，重點實現光、電功能。 以金屬納米結構加工為主，實現金屬納米線結構的電學特性； 以 量子點為主發光材料，實現高效發光結構。 維、三維納米結構的表面功能化原理與方法的基礎研究 以加工的二維、三維納米結構為模版， 研究 利用具有光電功能、環境響應功能的反應性 功能分子 對三維納米結構進行表面修飾，賦予三維納米結構發光、傳感等特定功能。 利用已合成的功能納米材料對所加工的二維、三維納米結構通過表面吸附等方式進行表面修飾，以及在二維、三維納米結構表面原位生長納米材料等手段，實現其表面納米復合結構。 利用聚合物三維結構的表面金屬化，制備微納線圈等金屬化功能器件，實現微米、亞微米尺度的可工作微機械。 米掩模結構加工原理、方法與應用的基礎研究 通過選用具有多種相結構共存態金屬材料，結合抑制熱擴散的膜層設計，在所研制的光刻設備 上獲得連續、階躍和復雜圖形的灰度掩模。為 此，擬針對不同材料研制不同的鍍膜工藝獲得高平整度的掩模介質；通過材料特性分析， 闡明 連續灰階的存在機理；通過材料變化閾值和高斯光束的匹配 ， 研究光與材料相互作用的本質；通過超快激光脈沖和物質的相互作用， 明確 材料的超快 響 應特征；通過 改變 材料特性 及 增加膜厚， 以 提高掩模的 灰 度值的差，并研究高對比度、大深差的微納結構 制備工藝 。通過上述研究探索，為 納米掩模的 光刻應用 奠定 基礎，并探索 其在微 納光學陣列、 楔 形波導等器件 制備中的應用 。 納米器件制備工藝創新與應用探索 型柵結構 高電子遷移率 晶體管的制備技術 針對寬禁帶半導體材料 有禁帶寬帶大、耐高壓、耐高溫、電子飽和速度高、擊穿場強大等特點，研究在 質結界面處的自發極化與壓電極化效應與感生界面電荷密度和電子遷移率的關系，探索材料質量、結構對器件性能的影響。 研究 高電子遷移率晶體管的工藝，設計新型的器件結構材料，優化器件工藝，在納米柵足的 T 型柵金屬電極 、 鈍化層制備、 附加場板結構、 歐姆接觸等工藝上實現技術突破，提高器件制備工藝的穩定性和可靠性。 研究并利用無 掩模 納米光刻技術，制作 ，以縮短電子的渡越時間，減小柵電容，研究 T 型柵小于 100 納米的柵足結構尺寸與器件高頻特性的關系 。 采用附加場板結構提高器件擊穿電壓，改善電流崩塌效應的不利影響，提高器件的功率密度和相關增益。研究歐姆接觸對于 件的高功率增益、低膝點電壓和高輸出電流的影響，在 上采用 l/u 多元金屬層電極實現較低的歐姆接觸，探索合金溫度和時間對固相接觸界面反應的影響和穩定工藝方法。 屬微結構傳感芯片的研究 采用多種數值分析方法研究金屬微納結構中表面等 離子體和局域表面等離子體的光激發和調控、微結構結構參數對其相互轉化、共振效應等的影響，與光模式的相互耦合、能量轉移等，探索出結構參數與其實現功能的關系。考慮如光柵或孔徑結構、二維金屬孔徑及柱狀陣列 等 各種金屬微納結構，研究結構單元單體效應產生 結構單元陣列群體效應產生 相互轉化、耦合，以及對譜線特性的影響。數值模擬芯片傳輸及反射譜與環境折射率參數變化的關系，計算出當不同的傳感目標與芯片表面結合時，譜線移動的情況，從而獲得最強響應特性的結構排布，為微納結構的制備提供理論依據和數據支持，實現高靈敏度 微納結構傳感單元的定向設計方法。通過無 掩模納米光刻 技術實現大面積百納米級圖形的光刻膠 掩模 ，通過半導體工藝中的電子束蒸發及金屬剝離工藝，制作周期性排布的金屬微結構陣列。深入研究多光子激發過程，曝光圖形尺寸及形貌控制方法，優化各項工藝參數，研究多光子納米加工技術快速制作大面積百納米級圖形的均勻性及可靠性問題，制作出光譜響應性能優異的基于表面等離子體共振機制金屬微納結構傳感單元。 靈敏度量子點光電傳感器研究 研究 a)子點的特性如發光波長、密度等， 制摻雜結構的 摻雜濃度等是獲得器件的材料基礎；研究器件的制備工藝與結構設計的最佳優化，特別是利用無 掩模 光刻技術后引起的結構變化等。現有研究表明，隨著器件的有效光吸收面積減小，器件的靈敏度會有顯著提高，特別是當面積小于1，這種變化更加明顯。但當前研究的最小面積在 1都是通過電子束光刻技術實現，我們將利用無掩模 納米 光刻技術 開 展這一研究 ， 爭取實現柵長小于 100效光吸收面積小于 利用無 掩模光刻技術制備超薄肖特基柵，并研究 包括 種類的金屬柵及 化銦錫）透明 柵對器件性能的影響。研究量子點調制摻雜場效應結構的光電特性，特別是對微弱信號的響應特性，并研究其在不同光激勵條件下展現出的獨特器件性質。通過研究厚有源區吸收層，光學限制層，或透明柵電極等方法對器件量子效率的影響，提高器件光電響應量子效率。 靈敏度三維微納傳感器設計原理與應用探索 針對 不同 檢測目標和環境，用特定金屬納米粒子對 三 維納米結構 進行 表面修飾，研究修飾物分子與 三 維納米結構 的相互作用，以及表面修飾對 三 維納米結構 化學和物理性質的影響。 通過三維納米結構的多功能修飾或不同修飾的三維納米結構 組成陣列，針對 苯、甲醛、 要重點關注的化學物種和 萄糖、谷胱甘肽等典型生物種， 形成多目標同時檢測，構筑基于 三維納米結構 的高靈敏度、高選擇性光響應新型化學傳感器 芯片 ， 研究 其 結構與靈敏度及選擇性的關系，研究不同結構傳感器的檢測極限及線性響應范圍和非線性修正方法。 利用三維金屬納米結構作為電極，通過研究其比表面大小、表面敏感分子修飾方法，實現高靈敏度電化學手性傳感器。 借助結構表征手段，包括分析三維納米結構的尺寸、分布等；通過研究其光響應，包括拉曼增強響應、 熒光響應等與被檢測物種類和濃度的依賴關系，確定其靈敏性和選擇性的范圍以及抗干擾特性。 新點 與特色 (1)充分運用光與物質相互作用的相關物理效應，通過理論與實驗的緊密結合，建立采用光子束作為加工工具的 超衍射納米加工 理論與技術體系， 突破傳統理論，在無掩模的條件下，實現超越衍射極限限制的納米尺度加工 是本項目最為重要的創新點，也是本項目之特色所在。 (2)通過控制光與物質在三維空間特定有限區域的相互作用，實現 納米尺度超衍射三維結構加工 是本項目最為獨特之處，可以制備出利用其他加工技術所無法實現的、可設計的 任意復雜三維結構 ，通過與相關 技術相結合，將為研究納米尺度下的三維效應、開發新型三維 納米 器件提供強有力的工具與技術平臺，并將為實現三維器件集成提供新的途徑。因此，三維納米結構加工與器件制備是本項目重要的創新點和特色。 (3)通過光子束加工原理的突破，研制 具有自主知識產權的 無掩模光子束超衍射納米加工 設備 ，建立高精度、大面積、可重復、低成本的納米加工 技術平臺 ，在功能材料上實現二維、三維納米結構，探索基于功能材料二維、三維納米結構的新器件原理、加工制備、性能與應用，從而形成一個 從科學原理突破、加工方法創新、設備技術 開發到器件應用技術探索的完整價值鏈 ， 充分體現了本項目多學科交叉的最大特色與創新。 行性分析 本項目研究團隊近年來一直在相關領域保持著國際先進的研究水平，并獲得了部分國際領先水平的研究成果，起到了一定的引領相關領域發展的作用。本項目是我們多年來對相關國際前沿領域從事研究工作所獲得的多學科知識、前沿技術與創新性學術思想進行總結、提煉的結果。研究團隊在前期研究過程中已取得的與本項目相關的重要研究成果如下： 在弱光非線性光學、 超快光子學、 非線性光傳輸和光調控以及復合結構材料體系中的光電功能調控等方面都 有很強的研究實力，已取得了一些具有國際領先水平的創新性成果，為本項目的推進奠定了堅實的基礎。 在無掩模納米光刻技術研究中，利用可見光源初步實現了超衍射極限的加工分辨率。在受體材料的選擇、制備及與光束的匹配等方面做了大量卓有成效的研究工作，并研制成功了演示性的納米直刻裝置，初步實現了灰度掩模的刻制。 在不同加工方式多光子納米加工研究中，已分別獲得國際上所報道的最高加工分辨率（ 50 納米和 15 納米），并通過理論分析與實驗結合，初步明確了加工分辨率與加工參數之間的關系，為建立系統的多光子納米加工技術奠定了堅實的基礎 。 在多光子平行加工技術研究中，已 成功開發出 了具有組合、集成特征的快速制備 技術 ，為微尺度機械部件的組裝難題提供了 有效的 解決方案，為微機電系統的快速加工與集成制備打下了良好基礎。 在光子晶體的研究中，實現了周期連續可調的金剛石結構三維光子晶體的制備，其周期變化控制精度達到數十納米，并成功制備出光子帶隙可調的雙帶隙光子晶體，為以光子晶體為基礎的新型器件提供了新的研究與應用思路。 在多光子納米加工材料光功能化方面，通過反應性發光分子摻雜制備微尺度諧振腔的研究已成功地觀察到超低閾值激射現象，為實現基于三維納米結構的無反射腔、無閾值微尺度激光器件提供了途經，并為進一步實現有源、無源器件并存的微尺度集成光學系統的研究打下了良好基礎。 在納米復合材料三維微納結構加工制備方面，實現了 多光子三維納米結構加工技術與半導體納米復合材料 可控制備方法 的結合 ，已獲得多種不同發光特性的三維微納結構。該成果在 志網絡版發表后，被志在 目加以報道，認為為 納米材料在 微尺度發光器件 中的應用 提供了新的 途徑 。 在量子點及其器件研究方面，已成功制備出近紅外波段激射的 a)組織量子點激光器；在量子點調制摻雜結構方面，也有初步的探索，為無 掩模 技術制備量子點場效應管奠定了良好的材料和工藝基礎。 利用拉曼增強探測被檢測物時，選擇具有拉曼增強效應的 金屬為修飾物，已經實現了納米結構對 至 10濃度檢測 。 總之，研究團隊在光子束超衍射納米加工技術及其 相關領域 已經進行的研究工作，使我們已擁有了對相關科學問題 深刻的理解認識 、形成了具有 創新性的學術思想、 積累了 豐富的研究經驗、具備了在本領域實現 重大 突破的 堅實 基礎與能力。因此，在本項目研究期間，我們完全 可能在光子束納米加工關鍵技術與應用基礎研究方面取得重大突破，獲得國際領先水平的研究成果。 題設置 開展光子束納米加工與器件制備及其 應用基礎研究，首先是對光子束納米加工機理及加工中所存在的關鍵 科學問題 進行研究，使利用光子束實現納米尺度加工成為可能 。 在此基礎上 ， 針對 關鍵 技術問題 ， 進行具有潛在應用前景的納米材料及納米結構器件制備原理研究，通過加工制備技術與納米結構設計相結合實現納米器件構筑，并對器件特性進行評價，建立納米材料、納米結構、納米器件與性能之間的關系，掌握高性能器件構筑規律，進一步 發展 納米結 構及納米器件在信息、生物等方面的應用。在研究方法上，通過理論與實驗的緊密結合，揭示光與物質之間在納米尺度下相互作用的規律，掌握納米結構與納米器件的基本特性。本項目以發展兩種光子束納米加工原理與關鍵技術為核心，在此基礎上，通過對典型納米結構加工、典型微納米器件制備原理與構筑的研究，展示光子束納米加工技術的優勢與應用前景。 為此， 本項目 設置以下 4 個研究課題： 課題一： 光子束超衍射納米加工基本原理基礎研究 課題二： 無掩模納米光刻 機理、關鍵技術、工藝創新與應用基礎研究 課題三： 多光子納米加工機理、關鍵技術、工藝創新 與應用基礎研究 課題四： 納米器件 制備工藝創新與 應用 基礎 研究 課題 一 光子束超衍射納米加工基本原理基礎研究 研究內容： 1. 研究激光參數針對不同材料產生多光子吸收與光熱局域等物理效應的機制。 2. 研究微納尺度下光聚合引發劑的自由基產生機理與擴散過程，單體的布朗運動與光聚合過程之間的時間特性與關系等，建立微區下光聚合過程的化學動力學模型。 3. 研究無掩模納米光刻中材料的光誘導瞬態自聚焦和自陷效應、瞬態等離子體形成、等離子體誘導材料改性、等離子體致材料微孔、自組織的周期性折射率變化及微孔的形成等瞬態非線性過程機理。 4. 使用 雙光束同步散射測試等辦法研究自由基和小分子擴散效應對加工分辨率的影響。 研究目標： 1. 解決弱光信號測量的信噪比問題，針對不同微區光化學與光物理過程的需求，建立微區飛秒、皮秒或納秒時間分辨熒光光譜、吸收光譜和顯微拉曼測量系統。 2. 建立微區下多光子光聚合過程的化學動力學模型，為設計合成有利于獲得納米加工分辨率與納米加工精度的聚合物體系提供指導。 3. 澄清無掩模納米光刻中多種非線性效應的物理機制，如光誘導瞬態自聚焦和自陷效應、瞬態等離子體形成、自組織的周期性折射率變化等瞬態非線性過程機理。 承擔單位： 南開大學、國家納米科 學中心 建議課題負責人： 張心正教授 主要參加人員： 李乙鋼教授 ， . 授 ， 郭儒教授 ， 陸文強副教授 ，鄭建亞高級實驗師 ， 王奇助理研究員 ， 王振華講師 ， 唐莉勤講師 經費比例： 19% 課題二 無掩模納米光刻 機理、關鍵技術、工藝創新與應用基礎研究 研究內容： 1. 進行無掩模納米光刻用材料設計，選擇合適的金屬、半導體相變材料、改性光刻膠，進行膜層設計優化，研究受體材料的閾值效應、光熱和光吸收效率、熱擴散效應抑制、超快響應速度等對加工分辨率的影響，實現激光無掩模超衍射納米加工。 2. 通過改造研制可進行 高精度、可重復、快速刻制、大尺度加工的激光無掩模納米光刻關鍵設備，建立相應的納米加工技術平臺。 3. 研究超衍射光學加工的原理，闡明微區等離子增強效應、近場效應、非線性自局域效應、閾值效應等對超衍射納米光刻效果的影響和貢獻。 依據無掩模光刻技術和灰度掩模技術，研究 探索 制備 不同形狀的結構器件的相應技術。 研究目標： 1. 制備出面向連續、階躍等灰度掩模，探索獲得具有不同深度、不同形狀、不同用途的器件加工技術，如光學陣列的制備技術，以及微流控和傳感器制備技術。 2. 提供一種采用光熱相變材料替代光刻膠的新型受體材料的新方法，獲 得一種特別適用于研究探索原形納米器件的便捷、便宜、無苛刻實驗條件限制的掩模制備技術。 3. 建立高分辨率激光加工系統平臺，實現大面 積（ 100100可重復的直接刻寫， 用可見光實現 100 納米以下的加工分辨率。 承擔單位： 中國科學院理化技術研究所、國家納米科學中心 建議課題負責人 : 趙震聲 研究員 主要參加人員： 賀軍輝研究員， 熊玉峰副研究員 ， 全保剛高級工程師 ， 郭延軍高級工程師 ， 郭圣明助理研究員 ， 穆璇麗助理研究員 ， 李曉軍工程師 ， 王荷蕾工程師 經費比例： 23 % 課題 三 多光子納米加工機理、關鍵技術、工藝創 新與應用基礎研究 研究內容： 1. 研究多光子聚合反應納米尺度控制的物理、化學機制，設計合成高效多光子引發劑，研究光聚合引發劑濃度、閾值效應、自由基淬滅劑、預聚物組分、加工溫度對加工分辨率的影響，挑戰多光子加工極限分辨率。 2. 研究金屬納米粒子的多光子光還原反應機理與納米尺度控制機制；研究多光子光化學還原中表面活性劑對金屬納米粒子尺度的影響；研究激光參數對金屬納米結構尺寸、精度的影響；研究進行三維金屬納米結構的加工方法，制備三維金屬納米復雜結構。 3. 研究利用衍射分光與微透鏡陣列分光技術，實現密排大數目器件單元的并行加工 分光，發展并行加工技術。 4. 研究微納復合結構體系的設計與制備，如三維光子晶體等微納人工材料或功能微納器件，研究三維微納復合結構體系中的帶隙效應、光波傳播局域效應、局域增強效應、時空色散效應，進行功能測試和相關性能表征。 5. 研究材料功能化方法與納米結構表面功能化方法，研究激光染料摻雜和半導體量子點摻雜，制備可用于光子束納米加工的發光功能材料，研究基于光子晶體的微尺度發光器件等原理性器件，對其特性進行評價。 6. 研究高靈敏度光化學與電化學傳感器的設計原理、制備方法，針對不同檢測對象，設計相應材料、制備三維納米結構、進行 表面修飾，對傳感特性進行評價。 研究目標： 1. 掌握多光子納米加工的物理、化學機制，澄清決定加工分辨率與加工精度的關鍵因素，挑戰光子束納米加工極限，實現 10 納米加工線寬。 2. 掌握多光束平行加工技術，建立具有高精度、可重復、快速、三維復雜納米結構加工的多光子納米加工技術平臺。 3. 掌握實現三維納米結構的結構功能化、材料功能化與表面功能化的原理與方法，展示基于上述原理制備的多功能三維光子晶體器件，實現閾值功率在納焦量級的無反射鏡微尺度激光器件。 4. 掌握三維納米結構在實現高靈敏度傳感中的基本規律與設計原理，實現高靈敏度光化學 與電化學傳感器，達到 10上的檢測濃度。 承擔單位： 中國科學院理化技術研究所 、 中國科學院 半導體所 課題負責人： 段宣明研究員 主要參加人員： 陳懿研究員 ， 潘革波研究員 ， 蔣春萍研究員 ， 陳衛強副研究員 ，王曉東副研究員， 陳茜副研究員 ， 李云閣高級工程師 ， 金峰助理研究員 ， 董賢子助理研究員 ， 闞強助理研究員 經費比例： 30% 課題 4 納米器件制備工藝創新與應用基礎研究 研究內容 1. 研究利用光子束超衍射納米加工技術 制備三維 T 形柵結構的工藝，實現100長的 T 形柵電極結構；探索與 高電子遷移率晶體管（ 件的整體工藝流程的兼容性問題，開發新工藝方法，優化器件工藝，在 化層制備、歐姆接觸等工藝上實現技術突破，提高器件制備工藝的穩定性和可靠性，實現 件的工作頻率大于 5究器件的電學特性與 T 型柵的柵長和結構穩定性的關系。 2. 研究利用光子束超衍射納米加工技術 制備金屬納米陣列結構，探索新型納米加工技術與半導體工藝兼容的技術途徑，研究微納加工過程的可靠性、均勻性及工藝穩定性、可重復性；制作多種微結構形狀的金屬納米陣列傳感芯片，研究金屬納米結構制備過程中的尺度效應及界面效應，優化工 藝流程，探索在同一芯片上實現多個傳感單元的低成本快速制造方法；采用易于進行生物敏感層修飾的金屬作為納米陣列結構的基礎材料，研究敏感材料與載體相互作用機理及特異性識別，分析加工制備工藝對微觀結構中界面處敏感材料在載體表面固定化過程的影響。 3. 研究利用光子束超衍射納米加工技術 制備高靈敏度 a)子點場效應管光電傳感器；研究其在受光面積小于 1 件工藝中的應用及工藝兼容性；探索利用上述技術制備超薄肖特基柵，并研究不同種類的金屬柵對器件性能的影響；探索其在制備 透明柵中的技術途徑，并研究 透明柵與光學增透膜的光學復合膜對器件性能的影響；通過以上研究實現量子點光電傳感器性能，并不斷提高器件 光探測 性能，實現 100長。 研究目標： 1. 實現光子束超衍射納米加工技術與半導體工藝的兼容，研究微納加工過程的可靠性、均勻性及工藝穩定性，提供兼容工藝的技術途徑。 2. 結合光子束超衍射納米加工技術與半導體工藝，制備 出 100 納米柵長的三維件工作頻率大于 5 3. 結合光子束超衍射納米加工技術與半導體工藝，制備 出 特征尺寸 200 納米的大面積周期性金屬微陣列傳感單元結構，探索金屬 微結構陣列傳感芯片低成本快速制作方法，其 檢測靈敏度優于 200 4. 結合光子束超衍射納米加工技術與半導體工藝，通過 出 制作柵長 100 納米的高靈敏度 a)現器件的光探測功能。 承擔單位： 中國科學院半導體研究所、 南開大學 課題負責人： 于芳研究員 主要參加人員： 劉忠立 研究員 ， 韓偉華研 究員 ， 劉思敏教授 ， 王春霞副研究員 ,王曉峰副研究員 ， 寧瑾副研究員 ， 趙永梅助理研究員 ， 黃亞軍助理研究員 ， 潘嶺峰助理研究員 ， 歸強實驗師 經費比例： 24 % 題間的有機聯系 與 項目預 期目標的關系 本項目所設置的四個研究課題之間的關系如圖所示。 以上課題，既有各自的研究重點，同時課題間相互交叉、融合，互為支撐，從而形成一個光子束納米加工 原理、關鍵 技術與器件設計、制備及性能研究的完整體系。 課題 1 以光子束超衍射納米加工中所涉及的光與物質相互作用機理為研究重點，通過尺度效應的理論與實驗研究，為課題 2 及課題 3 提供科學基礎。課題 2 與課題 3 以發展兩種光子束超衍射納米加工技術為核心，通過對加工材料、方法、參數與條件的深入研究，掌握核心技術，研制關鍵設備，在此基礎上建立技術平臺，開展功 能材料二維、三維納米結構加工與器件制備 技術 研究，為課題 4 器件制備與研究提供基礎。課題 4 以光子束超衍射納米加工與半導體加工的匯聚技術為突破口，研究半導體、金屬、量子點等功能材料的二維、三維納米器件的設計、制備工藝與應用，是課題 2 與課題 3 的應用研究。 四、年度計劃 年度 研究內容 預期目標 第一年度 1、 改造瞬態分析系統，搭建激光波前整形系統。 2、 對現有無掩模納米 光刻設備 進行升級 改造。 3、 開展 無掩模納米 光刻受體原片的研究 ， 進行 受體材料的膜層結構設計， 對光刻受體材料進行優化。 4、 設計合成高效多光子引發劑，對其特性進行 評價； 研究光聚合體系中激光光場分布、束腰尺寸、峰值功率、偏振等空間參數對多光子激發過程的影響。 5、 研究利用多光子光還原