近日，新加坡科技设计大学Joel K． W． Yang教授（通讯作者）团队，首次报道了使用激光直写技术打印出10纳米级的悬空纳米网格。该团队发现通过控制激光扫描的速度及方向，配合聚合物的张力作用，可以打印出10纳米级的悬空纳米线。其中最窄的线条可达7纳米，几乎媲美目前精度最高的表面图案化技术。该方法在用于打印20纳米级的悬空网格时可达到80％的成品率。利用这方法，该团队打印出最小横向间距为33纳米的悬空纳米网格。同时，这些纳米网格可以用作蒸发掩板制造纳米级的金属间距。相关成果以题为 “Sub－10－nm Suspended Nano－Web Formation by Direct Laser Writing” 发表在 Nano Futures 上。

图1：随机成核vs 导向成核 vs 正常交联过程的概要和结果

（a－c）随机成核：聚合物均匀随机生成，形成杂乱的纳米结构。往往是大结构的副产物。

（d－f）导向成核：利用低于阈值的激光进行导向，形成有规律的纳米结构。可打印10纳米级别的结构

（g－i）正常的交联过程：激光强度高于阈值，产生足够多的聚合物形成宽大的结构。这类结构往往在100纳米级别。

图2：激光扫描方向的影响及纳米网格的形貌表征

 

（a）A和B是电子扫面显微镜图片，展示了在极低的激光强度下，纳米线条展现了随扫描方向变化的非对称性。C－F 列举了不同激光强度下线条宽度及非对称性的变化

（b）展示了三个不同参数随激光强度的变化，分别是成品率（Yield），宽度比（Width ratio – 用于比较线条的非对称性）及最小宽度（Feature Size）。

图3：最小宽度的纳米线

 

展示了小于10纳米的线条。

图4：横向间距的极限

 

A－D为下图中不同激光强度下的例子。测量的横向距离表明，利用打印高度差及极细的纳米线条，30纳米左右的横向间距是可实现的。

图5：利用悬空纳米网格作为蒸发掩膜

 

（a－b）是利用打印高度差及细线条来避免不需要的随机聚合，极细且规整的间距可以实现。

（c－d）作为对比，若纳米线条都打印在同一高度，不需要的随机聚合会破坏设计的规整性。

【小结】

实验结果表明，通过控制激光扫描速度及方向，10纳米级的纳米网格是可实现的。利用打印高度差及极细的纳米网格，进而可以实现30纳米级的横向间距以及极小且规整的金属间距。这项研究展示一种新的可能，即利用现有成熟的激光打印技术，10纳米级的纳米结构亦是可以实现。目前，完整的机制尚未完全清晰明了，该课题组正致力于更多相关实验来验明机制以及完善该方法，使得打印随意形状的10纳米级三维纳米结构成为可能。该成果进一步扩展了激光打印技术的使用范围。