丹麦技术大学:二维纳米材料新蚀刻工艺可实现超分辨率光刻

丹麦技术大学(DTU)与 Graphene Flagship 研究团队,刚刚介绍了一种可将纳米材料制造工艺提升到新水平的新技术。据悉,2D 材料的精确“图案化”,是利用其机型计算和存储的一种方法。不过与当前的技术相比,新方案可为 10nm 以下的纳米材料,带来更高的性能、以及更低的功耗。

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可蚀刻六方氮化硼材料晶体(图 via SCI Tech Daily

近年来,以石墨烯为代表的二维材料,已经成为了物理学和材料技术领域的重要发现之一。可知其具有较其它已知材料更坚固、光滑、轻量,且在导热与导电性能上也更加优异。

基于此,DTU 研究人员设想,若能够在这些材料身上实现可编程性,便可在 2D 层面上创造精致的“图案”,进而迎合不同的应用需求、显著改变相关材料的特性。

十多年来,DTU 科学家们一直在 1500 平方米的洁净室设施中使用先进光刻机,致力于改进二维材料图案化的最新技术。

在丹麦国家研究基金会与 Graphene Flagship 的部分支持下,DTU 在纳米结构石墨烯中心开展了长期深入的研究。

最新消息是,DTU Nanolab 的电子束光刻系统,已经能够实现 10nm 的工艺精度。计算机能够准确预测石墨烯中图案的形状和大小,以创造新型电子产品。

它们可以利用电子的电荷和量子特性 —— 比如自旋和谷自由度 —— 以通过低得多的功耗来开展高速计算。

然而这些计算要求的分辨率,较现有最强的光刻系统所能实现的分辨率更高一级 —— 即原子级的解析力。

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纳米结构可改变 2D 材料的电子与光子特性

DTU 物理学教授兼组长 Peter Bøggild 表示:“若我们想要开辟量子电子学的未来,必须要实现 10nm 以下工艺、并尽可能地接近原子尺度”。

早在 2019 年,研究团队就已经展示过 12nm 间距放置的圆孔,并成功地将半金属石墨烯转化为半导体。

现在,我们知道了如何创建具有纳米尖角的圆孔与其它形状,比如三角形。这种模式可根据自旋对电子进行分类,并未自旋电子学或谷电子学创造必要的组件。

此外这项技术也适用于其它二维材料,得益于这些超小型的结构,我们能够创建非常紧凑、且电可调的超透镜,进而为高速通信和生物技术等领域提供支撑。

据悉,这项研究由博士后 Lene Gammelgaard 负责带领。她于 2013 年毕业于 DTU,此后在 2D 材料的实验探索中发挥了至关重要的作用。

她表示,这项技术的巧妙之处,在于将六边形的氮化硼纳米材料放在你想要“图案化”的材料上,然后使用特定的蚀刻配方进行钻孔。

过去几年,我们开发的蚀刻工艺已将图案尺寸缩小到了电子束光刻系统无法突破的大约 10 nm 极限之下。

以制作一个直径为 20 nm 的圆孔为例,石墨烯中的孔隙可缩到 10 nm。若挖个三角形孔,新技术可将可缩出一个具有自锐角较小三角形。

通常情况下,当我们将图案缩小时,它会变得不那么完美。不过得益于重构的新理论,我们可预测出最佳的结构。

举个例子,我们可以生产平面形的电子元透镜。作为一种超紧凑的光学透镜,其可在极高的频率下展开电气控制,且有望成为未来通信与生物技术的一个重要组成部分。

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新技术让我们距离量子材料更近了一步(来自:ACS 应用材料与界面)

作为新研究的另一位关键人物,对纳米物理拥有浓厚兴趣的年轻学生 Dorte Danielsen 解释称:“超分辨率”结构的背后机理,目前仍不是很清楚。

对于这种意想不到的蚀刻行为,我们有几种可能的解释,但仍有很多不太明确的地方。即便如此,这对我们来说仍然是一项激动人心且非常实用的技术。

与此同时,对于全球数以千计的研究人员来说,这也是一个好消息,因为他们正在推动二维纳米电子学与纳米光子学的发展。

最后,在丹麦独立研究基金的支持下,Dorte Danielsen 将在 METATUNE 项目中,继续她对顶尖纳米结构的相关研究。此处协助开发的技术,则有助于打造和探索支持电调谐的光学超透镜。

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