亞10 nm的結(jié)構(gòu)在集成電路、光子芯片、微納傳感、光電芯片、納米器件等技術(shù)領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用需求（圖1），這對微納加工的效率和精度提出了許多新的挑戰(zhàn)。激光直寫作為一種高性價比的光刻技術(shù)，可利用連續(xù)或脈沖激光在非真空的條件下實現(xiàn)無掩模快速刻寫，大大降低了器件制造成本，是一種有競爭力的加工技術(shù)。然而，長期以來激光直寫技術(shù)由于衍射極限以及鄰近效應(yīng)的限制，很難做到納米尺度的超高精度加工。

近期，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張子旸研究員與國家納米中心劉前研究員合作，在Nano Letters上發(fā)表了題為“5 nm Nanogap Electrodes and Arrays by a Super-resolution Laser Lithography”的研究論文，報道了一種他們開發(fā)的新型5 nm超高精度激光光刻加工方法（DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00978）。

中科院蘇州納米所張子旸研究員團(tuán)隊長期從事微納加工技術(shù)的開發(fā)、高速光通信半導(dǎo)體激光器、超快激光器等的研制工作（ACS Photonics 6, 1581, 2019; Light. Sci. Appl. 6,17170, 2018; ACS Photonics, 5, 1084，2018, Adv. Opt. Photon., 2, 201, 2010; 授權(quán)專利：106449897B）；國家納米中心劉前團(tuán)隊長期從事微納加工方法及設(shè)備的創(chuàng)新研究，發(fā)展出了多種新型微納加工方法和技術(shù)（專著：Novel Optical Technologies for Nanofabrications; Nano Letters 17,1065,2017; Nature comm. 7,13742,2016; Adv. Mater. 24,3010,2012; 授權(quán)專利：美國US 2011/0111331 A1和日本J5558466）。

圖1 亞十納米圖形結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域和方向。

本研究中使用了研究團(tuán)隊所開發(fā)的具有完全知識產(chǎn)權(quán)的激光直寫設(shè)備，利用了激光與物質(zhì)的非線性相互作用來提高加工分辨率，其有別于傳統(tǒng)的縮短激光波長或增大數(shù)值孔徑的技術(shù)路徑；并打破了傳統(tǒng)激光直寫技術(shù)中受體材料為有機(jī)光刻膠的限制，可使用多種受體材料，極大地擴(kuò)展了激光直寫的應(yīng)用場景。本項工作中，研究團(tuán)隊針對激光微納加工中所面臨的實際問題出發(fā)，很好地解決了高效和高精度之間的固有矛盾，開發(fā)的新型微納加工技術(shù)在集成電路、光子芯片、微機(jī)電系統(tǒng)等眾多微納加工領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。

本工作中，基于光熱反應(yīng)機(jī)理，研究團(tuán)隊 設(shè)計開發(fā)了一種新型三層堆疊薄膜結(jié)構(gòu)。在無機(jī)鈦膜光刻膠上，采用雙激光束（波長為405 nm）交疊技術(shù)（見圖2a），通過精確控制能量密度及步長，實現(xiàn)了1/55衍射極限的突破（NA=0.9），達(dá)到了最小5 nm的特征線寬。 此外，研究團(tuán)隊 還利用這種超分辨的激光直寫技術(shù)，實現(xiàn)了納米狹縫電極陣列結(jié)構(gòu)的大規(guī)模制備（如圖2b-c）。相較而言，采用常規(guī)聚焦離子束刻寫，制備一個納米狹縫電極需要10到20分鐘，而利用本文開發(fā)的激光直寫技術(shù)，可以一小時制備約5×105個納米狹縫電極 ，展示了可用于大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。

圖2 雙束交疊加工技術(shù)示意圖（左）和5 nm 狹縫電極電鏡圖（右）。

納米狹縫電極作為納米光電子器件的基本結(jié)構(gòu)，有著極為廣泛的應(yīng)用。在本研究中， 該團(tuán)隊還利用發(fā)展的新技術(shù)制備出了納米狹縫電極為基本結(jié)構(gòu)的多維度可調(diào)的電控納米SERS傳感器。 可在傳感器一維方向上對反應(yīng)“熱點”完成定點可控，實現(xiàn)了類似邏輯門“0”、“1”信號的編碼和重復(fù)（圖3a-b），并可通過狹縫間距和外加電壓的改變，實現(xiàn)了對反應(yīng)“熱點”強(qiáng)度的精確可調(diào)（圖3c-d），這對表面科學(xué)和痕量檢測等研究有著重要的意義。

圖3 （a）納米SERS傳感器的光學(xué)顯微鏡圖；（b）一維線性掃描下拉曼信號譜；（c）不同寬度下拉曼信號譜；（d）不同外加電壓下拉曼信號譜。

該論文第一作者為中科院蘇州納米所與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生秦亮。中科院蘇州納米所與蘭州大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生黃源清和青島大學(xué)物理學(xué)院夏峰為文章的共同第一作者。張子旸研究員和劉前研究員為論文的通訊作者。本工作得到了國家重點研究計劃項目(2016YFA0200403)、國家自然科學(xué)基金(No.62875222、11874390、51971070)、Eu-FP7項目(No.247644)、中國博士后科學(xué)基金(2017M612182)的支持。

來源：蘇州納米所