【基金標(biāo)書】2010CB934100-光子束超衍射納米加工技術(shù)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究

項(xiàng)目名稱： 光子束超衍射納米加工技術(shù)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究 首席科學(xué)家： 段宣明 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 起止年限： 2010 年 1 月 8 月 依托部門： 中國科學(xué)院 一、研究內(nèi)容 一、 擬重點(diǎn)解決的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題 （ 1）光子束超衍射納米加工的實(shí)現(xiàn)途徑與機(jī)理 利用光子束實(shí)現(xiàn)超衍射納米加工，其科學(xué)問題的本質(zhì)是一個(gè)納米尺度下光與物質(zhì)相互作用過程的控制問題。在無掩模納米光刻技術(shù)中，其關(guān)鍵所在是如何利用超衍射結(jié)構(gòu)對(duì)光進(jìn)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(shù)中，如何將發(fā)生多光子激發(fā)過程及其所誘發(fā)的光化學(xué)反應(yīng)過程控制在納米尺度是其核心問題。這一問題可以歸結(jié)為實(shí)現(xiàn)非線性光物理效應(yīng)所導(dǎo)致的物理化學(xué)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(xué)極限，其實(shí)質(zhì)是解決“弱束縛微區(qū)內(nèi)發(fā)生的高度非平衡反應(yīng)的尺寸控制”這一科學(xué)問題，是實(shí)現(xiàn)光子束超衍射納米加工的極限分辨能力與精度的關(guān)鍵所在。本項(xiàng)目將通過光與材料相互作用的非線性機(jī)理與閾值效應(yīng)、激光參數(shù)與材料特性對(duì)加工精度的影響、加工精度與幾何形貌的控制機(jī)理 等研究，解決上述科學(xué)問題，挑戰(zhàn)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(jié)構(gòu)制備原理、特性及相關(guān)基本科學(xué)問題 進(jìn)行結(jié)構(gòu)、材料與表面功能化設(shè)計(jì)，明確功能納米結(jié)構(gòu)制備原理，發(fā)展相應(yīng)的制備工藝，闡明功能納米結(jié)構(gòu)與特性之間的關(guān)系是利用光子束超衍射納米加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)功能納米結(jié)構(gòu)制備與應(yīng)用需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。本項(xiàng)目擬通過設(shè)計(jì)、制備不同材料的二維、三維納米結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能化，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體、金屬及無機(jī)功能材料的納米結(jié)構(gòu)制備；采用在加工材料中進(jìn)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(jié)構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)功能分子與納米材料的組裝以解決納米結(jié)構(gòu)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(chuàng)新與應(yīng)用探索 要利用光子束超衍射納米加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)器件制備工藝的創(chuàng)新，必須解決光子 束超衍射納米加工技術(shù)與半導(dǎo)體加工技術(shù)的匯聚問題。本項(xiàng)目將重點(diǎn)解決在半導(dǎo) 體功能器件制作中的工藝兼容性、穩(wěn)定性及可靠性問題，擬通過設(shè)計(jì)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(shù)的光阻材料，利用正、負(fù)型光阻材 料特性，實(shí)現(xiàn)不同器件結(jié)構(gòu)制備工藝的創(chuàng)新，制備出相應(yīng)的納米器件。 二、 主要研 究內(nèi)容 針對(duì)上述關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，本項(xiàng)目將開展以下四類研究工作。主要研究內(nèi)容如下： 第一類：光子束超衍射納米加工原理的基礎(chǔ)研究 掩模激光直寫納米加工技術(shù)的物理、化學(xué)機(jī)理研究 研究激光與光刻膠、金屬材料以及半導(dǎo)體相變材料的相互作用光物理過程和光化學(xué)反應(yīng)機(jī)制等納米加工機(jī)理，明確各種相關(guān)物理參數(shù)的影響及關(guān)系，建立納米尺度下的基于半導(dǎo)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(jié)構(gòu)中介質(zhì)層、金屬層與 加工對(duì)象的組分與形態(tài)對(duì)納米加工尺度的影響，針對(duì)不同加工對(duì)象物 質(zhì)建立相應(yīng)的模型 ，明確 超衍射膜層 結(jié)構(gòu)與加工尺度之間的關(guān)系，澄清其物理機(jī)制。 光子納米加工中的物理、化學(xué)機(jī)理與理論體系 以聚合物和金屬材料為對(duì)象 ， 研究包括多光子效應(yīng)的光物理過程與光化學(xué)反應(yīng)機(jī)理 等 多光子納米加工機(jī)理， 闡明 納米尺度下多光子過程的 作用機(jī)理與 控制機(jī)制，明確各種相關(guān)物理參數(shù)的影響及關(guān)系，建立基于納米尺度下光與物質(zhì) 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(duì)象 、 材料 組分與形態(tài)對(duì)納米加工尺度的影響，針對(duì)不同加工對(duì)象物質(zhì)建立相應(yīng)的模型 并 明確加工參數(shù)。 研究利用波前整形技術(shù)對(duì)激光光 束質(zhì)量進(jìn)行調(diào)制，研究激光光束的偏振、形狀等參數(shù)對(duì)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(xué)反應(yīng)擴(kuò)散、熱量擴(kuò)散過程對(duì)加工分辨率的影響。研究在光刻膠中通過引入阻聚組分對(duì)限制聚合反應(yīng)擴(kuò)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(duì)加工分辨率的影響，嘗試低溫條件下的加工。研究激光參數(shù)、掃描條件、近鄰效應(yīng)、前、后處理?xiàng)l件對(duì)加工精度的影響。通過優(yōu)化材料組分、加工條件及相關(guān)過程，實(shí)現(xiàn) 50 納米加工分辨率及10 納米加工精度，挑戰(zhàn)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(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研究與平臺(tái) 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(duì)加工結(jié)構(gòu)保真度的影響機(jī)理與 控制方法 ，明確 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)與加工結(jié)果之間的關(guān)系，建立包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與修正參數(shù)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)高保真加工制備體系，為器件精密制備提供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工的基礎(chǔ)和方法。 子束超衍射納米加工的平行加工技術(shù) 進(jìn)行平行加工光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，發(fā)展大規(guī)模、快速、多光束 超衍射納米加工 技術(shù) 。 針對(duì)不同器件與系統(tǒng)加工制備要求，設(shè)計(jì)研制易于控制、具有組合與集成特征的 平行加工系統(tǒng)，發(fā)展高分辨、高精度 超衍射 納米 光子 平行加工技術(shù)。 于激光直寫技術(shù)的納米光刻技術(shù)平臺(tái) 研制 針對(duì)金屬材料、相變材料和光刻膠實(shí)現(xiàn) 可見波長 激光直寫 納米加工的技術(shù) 平臺(tái) ， 獲得實(shí)現(xiàn)大面積、高精度、 快速、 可重復(fù)加工技術(shù)，研究解決實(shí)現(xiàn)高加工分辨率的方法，用可見光實(shí)現(xiàn) 100 納米 以下 的加工分辨率。研究材料組分、膜層結(jié)構(gòu)、加工參數(shù)對(duì)加工物結(jié)構(gòu)的 特征尺寸 、最小線間距、表面粗糙度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響機(jī)制， 明確 針對(duì)不同材料與結(jié)構(gòu)的 加工參數(shù) 。 光子三維納米加工技術(shù)平臺(tái) 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(shù)平臺(tái)， 重點(diǎn)研究有機(jī)材料、金屬材料 、半導(dǎo)體材料等 進(jìn)行多光子納米加工時(shí) 前驅(qū)物成分、激光參數(shù)對(duì)納米加工分辨率的關(guān)鍵影響因素， 研究材料 組分 、加工參數(shù)、加工方法對(duì)加工物結(jié)構(gòu)的 線寬、 長徑比、最小線間距、表面粗糙度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響機(jī)制，明確鄰近效應(yīng)對(duì)加工精度的影響，確立多光子三維納米加工關(guān)鍵工藝 。 第三類： 納米結(jié)構(gòu)制備工藝創(chuàng)新的相關(guān)基礎(chǔ)研究 能材料二維 、三維納米結(jié)構(gòu)加工工藝原理 與方法 針對(duì)聚合物、金屬、半導(dǎo)體、介質(zhì)材料等具有不同功能與特性的材料， 研究相應(yīng)的利用光子束超衍射納米加工技術(shù)進(jìn)行二維、 三維納米結(jié)構(gòu)加工的工藝原理與方法。研究光子束超衍射納米加工技術(shù)與半導(dǎo)體加工技術(shù)的匯聚問題，實(shí)現(xiàn)聚合物、半導(dǎo)體、金屬等功能材料的二維、三維納米結(jié)構(gòu)。 以微納尺度光子學(xué)器件為對(duì)象，研究基于光子晶體的二維、三維微尺度光波導(dǎo)、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(shè)計(jì)原理與高精度制備技術(shù)。 光子三維納米加工用材料功能化原理與方法 通過反應(yīng)性熒光染料的設(shè)計(jì)合成、半導(dǎo)體納米發(fā)光材料的原位合成與控制、半導(dǎo)體量子點(diǎn)的表面改性與摻雜等方法，研究 制備具有發(fā)光特性的 適合于多光子三維納米加工的光聚合樹脂，以實(shí)現(xiàn)三 維微納結(jié)構(gòu)的發(fā)光功能。通過設(shè)計(jì)合成高折射率光聚合樹脂、在樹脂中摻雜高折射率無機(jī)納米粒子等方法，提高材料的折射率，實(shí)現(xiàn)器件的 光學(xué)特性高性能化 。 米結(jié)構(gòu)的表面功能化原理與方法 進(jìn)行三維納米結(jié)構(gòu)表面設(shè)計(jì)，采用功能性分子表面反應(yīng)、納米材料表面吸附等方法對(duì)結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行改性，賦予三維納 米 結(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu) 之間 的相互作用，以及表面修飾對(duì) 三 維納米結(jié)構(gòu) 化學(xué)和物理性質(zhì)的影響。 米掩模 的 加工原理、方法與應(yīng)用 尋找具有連續(xù)灰階功能的簡單材料體系作為灰度掩模材料，替代基 于復(fù)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(chǔ)上 研究利用無掩模納米光刻技術(shù)制備 納米 灰度掩模。通過連續(xù)和階躍灰度掩模技術(shù)制備微光學(xué)陣列和楔型波導(dǎo)器件；通過無掩模技術(shù)和灰度掩模技術(shù)制備微流器件。 第四類：納米器件制備工藝創(chuàng)新與應(yīng)用探索 型柵結(jié)構(gòu) 高電子遷移率晶體管的制備技術(shù) 研究三維 T 形柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與超衍射納米光子加工工藝，自由地改變?nèi)S 化三維 T 形柵的形狀和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在有機(jī)薄膜材料上形成三維 T 形柵立體結(jié)構(gòu) ，通過模式反轉(zhuǎn)技術(shù)在半導(dǎo)體材料上實(shí)現(xiàn) 100 納米 柵長的三維 T 型金屬柵結(jié)構(gòu)。在 高電子遷移率晶體管上實(shí)現(xiàn) 三維 T 形柵電極，設(shè)計(jì)新型器件結(jié)構(gòu)，優(yōu)化器件工藝，提高器件制備工藝的穩(wěn)定性和可靠性。研究 型柵的柵長和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)系。 屬 微結(jié)構(gòu)傳感芯片的研究 研究基于金屬納米陣列結(jié)構(gòu)的表面等離子體共振效應(yīng)，理論分析 其 表面等離子共振譜線與陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，采用電磁數(shù)值模擬方法計(jì)算并優(yōu)化金屬納米陣列結(jié)構(gòu)共振波長對(duì)環(huán)境參數(shù)的變化關(guān)系；結(jié)合光子束超衍射納米加工技術(shù)及半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)多個(gè)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(jié)構(gòu)的光譜響應(yīng)，分析其共振峰值與環(huán)境參數(shù)的變化關(guān)系，探索初步的生化傳感實(shí)驗(yàn)研究。 靈敏度量子點(diǎn)光電傳感器研究 研究量子點(diǎn)調(diào)制摻雜場效應(yīng)管的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化與材料制備。進(jìn)行無掩模納米光刻制備高靈敏度量子點(diǎn)場效應(yīng)管光電傳感器的工藝技術(shù)探索，實(shí)現(xiàn)器件性能并達(dá)到或超過現(xiàn)階段國內(nèi)外水平。 利用 無 掩模 光刻技術(shù)制備超薄肖特基柵，研究 量子點(diǎn)調(diào)制摻雜場效應(yīng)結(jié)構(gòu)的光電探測特性。研究提高 器件 光電響應(yīng)量子效率的 途徑 。 靈敏度三維微納傳感器 構(gòu) 筑 原理與應(yīng)用探索 構(gòu)筑新型三維納米化學(xué)傳感器 ， 研究三維納米結(jié)構(gòu)傳感器在被檢測物環(huán)境下其吸收、發(fā)光或拉曼散射的波長、強(qiáng)度等變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種化學(xué)被檢測物的高靈敏 、 高選擇性 檢 測。 研究 目標(biāo)物對(duì)三維納米結(jié)構(gòu)電學(xué)性質(zhì)的影響，實(shí)現(xiàn)基于三維納米結(jié)構(gòu)場效應(yīng)管式化學(xué)傳感器。 通過在 功能電極上實(shí)現(xiàn)二維、三維納米結(jié)構(gòu)，增加電極的比表面積，提高電極的靈敏度 。研究三維納米結(jié)構(gòu) 對(duì)物質(zhì)在電極表面擴(kuò)散傳輸 過程，構(gòu)筑基于三維納米結(jié)構(gòu)的電化學(xué)手性傳感器 。 研究 光化學(xué)與電化學(xué) 傳感器結(jié)構(gòu)與 其 靈敏度及選擇性 之間 的關(guān)系，研究不同結(jié)構(gòu)傳感器的檢測極限及線 性響應(yīng)范圍和非線性修正方法。 二、預(yù)期目標(biāo) 1 總體目標(biāo) 深入研究并解決光子束納米加工技術(shù)中的重大關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題， 在可見光及近紅外激光的納米結(jié)構(gòu)加工 原理、技術(shù) 及其應(yīng)用方面取得突破， 發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、具有國際先進(jìn)水平的 高精度、大面積、可重復(fù)、低成本的 光子束超衍射納米加工 技術(shù)， 確立在新型納米加工技術(shù)領(lǐng)域國際競爭中的優(yōu)勢地位， 增強(qiáng)在納米器件研究開發(fā)領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力，推動(dòng)我國的科技進(jìn)步。 2. 五年預(yù)期目標(biāo) 1) 突破經(jīng)典光學(xué)理論衍射極限的限制， 發(fā)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(shí)現(xiàn) 50 納米加工分辨率、 10 納米加工精度 ，挑戰(zhàn)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(shù)平臺(tái)， 實(shí)現(xiàn)高精度、大面積、可重復(fù)、低成本、 無苛刻實(shí)驗(yàn)條件限制的 納米結(jié)構(gòu)加工。 3) 制備 出可 用于微光學(xué)陣列、微流控器件及半導(dǎo)體器件 等納米加工的 具有連續(xù)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(dǎo)、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(jié)構(gòu)化學(xué)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(diǎn)場效應(yīng)管光電傳感器 ， 提高器件的光電響應(yīng)量子效率 ， 實(shí)現(xiàn) 對(duì)極微弱信號(hào)的高度敏 感 探測 。 6) 實(shí)現(xiàn) 100 納米柵長的三維 T 型柵金屬結(jié)構(gòu)加工，制備 出 高電子遷移率晶體管的 T 型柵結(jié)構(gòu)。 7) 探索金屬納米結(jié)構(gòu)陣列傳感芯片低成本快速制作方法，通過金屬納米結(jié)構(gòu)芯片表面功能基團(tuán)修飾，實(shí)現(xiàn)傳感功能。 8) 通過本項(xiàng)目實(shí)施，培養(yǎng)和造就一支在納米加工技術(shù)和器件研究領(lǐng)域具有國際影響力的科學(xué)研究隊(duì)伍和研究基地，在相關(guān)領(lǐng)域躋身于國際先進(jìn)行列，在發(fā)展中起到引領(lǐng)作用。 9） 發(fā)表高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文 80，申請(qǐng) 10發(fā)明專利，組織 1高水平的國際學(xué)術(shù)會(huì)議，依托本項(xiàng)目培養(yǎng) 50 余名博士研究生。 三、研究方案 術(shù)思路 本項(xiàng)目 以光與物質(zhì)相互作用的多種物理效應(yīng)為 出發(fā)點(diǎn) ，采用非傳統(tǒng)方法突破光學(xué)衍射極限限制實(shí)現(xiàn)光子束納米加工 ， 運(yùn)用理論計(jì)算、物理建模、實(shí)驗(yàn)技術(shù)體系建立、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方法從理論與實(shí)驗(yàn) 兩方面入手， 通過對(duì) 光與物質(zhì) 在納米尺度下的光物理、光化學(xué)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(guī)律，建立 光子束超衍射納米加工 理論 ，實(shí)現(xiàn)納米尺度 加工 分辨率 與加工精度。 建立相 應(yīng)的 技術(shù)平臺(tái)， 確立 光子束超衍射納米加工 的關(guān)鍵核心技術(shù)體系 。針對(duì) 光子束超衍射納米加工 技術(shù)的應(yīng)用， 通過綜合進(jìn)行器件設(shè)計(jì)、器件制備原理、材料功能化、結(jié) 構(gòu)功能化、精密制備技術(shù)、器件結(jié)構(gòu)表征與性能評(píng)價(jià)等方面的研究，建立材料、結(jié)構(gòu)與器件性能之間的關(guān)系，制備功能性納 米 器件 、高靈敏度傳感器 ， 并探索其應(yīng)用途徑 。 總之， 本項(xiàng)目以發(fā)展納米加工新原理為出發(fā)點(diǎn)，在新型納米加工方法與關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，研制關(guān)鍵設(shè)備、建立技術(shù)平臺(tái)，在功能材料上實(shí)現(xiàn)二維、三維納米結(jié)構(gòu)，通過與現(xiàn)有納米加工技術(shù)的匯聚，實(shí)現(xiàn)納米器件制備，探索其應(yīng)用途徑，從而形成新型納米加工技術(shù)及其應(yīng)用的完整價(jià)值鏈。 術(shù)途徑 子束超衍射納米加工原理的基礎(chǔ)研究 掩模激光直寫納米加工技術(shù)的物理、化學(xué)機(jī)理研究 加工過程中的物理機(jī)制： 研究金屬及其合金、半導(dǎo)體相變材料等不同特性的材料與光子束相互作用的特點(diǎn)， 采用 飛秒泵浦探測技術(shù) 研究超短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的光熱過程機(jī)理，研究光能量的熱轉(zhuǎn)化過程、光能量密度閾值的作用以及對(duì)受體材料選擇的影響和限制，搞清光束波形對(duì)加工結(jié)構(gòu)邊緣的作用，發(fā)展可行的光束調(diào)制方法； 針對(duì)光刻膠和可見光的相互作用，通過摻雜等手段，調(diào)制光刻膠的光吸收波段，特別是需要調(diào)整光波 波形以期達(dá)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(dá)到縮小光刻尺度的目的。研究 高數(shù)值孔徑系統(tǒng)與 光刻膠的匹配問題。 工過程中的材料機(jī)制： 深入研究 受體材料的熱擴(kuò)散、光熱轉(zhuǎn)換效率、自局域非線性特征、合適的轉(zhuǎn)化能量閾值、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等問題 ，為從科學(xué)原理上進(jìn)行合理的解釋提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 。 深 入研究和討論受體材料的膜層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 對(duì) 光束自局域 的 非線性 作用，闡明非線性自局域效應(yīng)的機(jī)理與作用與 受體材料 及膜層設(shè)計(jì)之間的關(guān)系 。 光子納米加工中的物理、化學(xué)機(jī)理與理論體系 光子納米加工的光物理過程： 針對(duì)光聚合體系， 深入研究多光子過程中激光參數(shù)（能量、偏振、脈寬、重復(fù)頻率等）對(duì) 多光子激發(fā)過程 的影響，澄清除多光子吸收以外的光物理過程對(duì)光聚合體系加工的 作用和 影響。 針對(duì)金屬離子溶液體系，研究由多光子過程誘導(dǎo)的 熱效應(yīng)、電離、等離子及自由電子的產(chǎn)生等物理過程對(duì)金屬離子還原的影響 ， 深入 研究相關(guān)機(jī)理， 分析 激光參數(shù)對(duì) 金屬納米結(jié)構(gòu) 的 影響 ，為實(shí)現(xiàn)具有良好導(dǎo)電性能的金屬納米結(jié)構(gòu)制備提供理論依據(jù) 。 光子納米加工的光化學(xué)過程： 針對(duì)光聚合體系，研究多光子吸收誘導(dǎo)的自由基聚合與陽離子聚合過程中光聚合引發(fā)劑多光子吸收截面、引發(fā) 聚合反應(yīng)的量子效率特性、引發(fā)劑濃度、聚合單體種類、聚合單體配比等對(duì)納米尺度光聚合反應(yīng)及其結(jié)構(gòu)的影響，建立納米尺度光聚合反應(yīng)的理論模型與加工結(jié)構(gòu)尺寸、形貌的相關(guān)理論模型。 針對(duì)金屬離子溶液體系，深入研究 微膠束對(duì) 光化學(xué)還原與控制的 機(jī)理 ，為實(shí)現(xiàn)納米尺度的金屬結(jié)構(gòu)制備提供科學(xué)基礎(chǔ) 。 子束超衍射納米加工的極限分辨率與加工精度 對(duì)上述光物理與光化學(xué)過程研究進(jìn)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(jī)理的基礎(chǔ)上，通過深入的實(shí)驗(yàn)研究，挑戰(zhàn)多光子納米加工分辨率極限，利用激光直寫技術(shù) 實(shí)現(xiàn) 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(yīng)類型、材料 結(jié)構(gòu)與 特性、加工條件與加工方法 、加工中的近鄰效應(yīng)、 后處理方法 及 條件對(duì)加工物結(jié)構(gòu)的長徑比、最小線間距、表面粗糙度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，利用 共聚焦顯微鏡等手段對(duì)所加工的納米結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行測量，建立加工條件與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，明確加工精度控制機(jī)制與參數(shù)，實(shí)現(xiàn)納米尺度加工精度控制。 光子束超衍射納米加工的工藝創(chuàng)新、關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研究與平臺(tái)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(jìn)行加工結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)、采用亞毫秒級(jí)曝光時(shí)間控制技術(shù)和皮焦級(jí)曝光能量控制技術(shù) ， 實(shí)現(xiàn)曝光時(shí)間及曝光能量的精確控制 。 利用逐點(diǎn)連線和逐段掃描兩種運(yùn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)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(duì)加工結(jié)構(gòu)保真度的影響機(jī)理與尺度，明確設(shè)計(jì)與加工結(jié)果之間的關(guān)系，建立包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與修正參數(shù)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工 技術(shù)及 方法。 子束超衍射納米加工的平行加工技術(shù) 利用微透鏡陣列和衍射分束元 件將激光進(jìn)行分束，研究其能量分布、光束配置設(shè)計(jì)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(tǒng)， 建立具有 大規(guī)模、快速 、可組合集成等特征的 多光子納米加工技術(shù) 體系，為解決微納器件制備、微尺度元器件進(jìn)行系統(tǒng)組裝時(shí)所存在的難題提供切實(shí)可行的解決方案 。 于激光直寫技術(shù)的納米光刻技術(shù)平臺(tái) 研制 具有刻制方便、快捷、無需真空等 苛刻條件 、價(jià)格便宜 等特點(diǎn) ，特別適合于在 實(shí)驗(yàn)室 水平進(jìn)行多樣化 原 型 納米器件 制備，可在半導(dǎo)體、金屬和絕緣體上自動(dòng)刻 制任意圖形納米結(jié)構(gòu)，既可用于掩模制備又可用于無掩模光刻的系統(tǒng)。采用 405 納米波長的半導(dǎo)體激光器、 100100米級(jí)步長移動(dòng)臺(tái)、全自動(dòng)的光電控制系統(tǒng)、高精度實(shí)時(shí)聚焦系統(tǒng)、超快速光功率調(diào)整和穩(wěn)定控制、實(shí)時(shí) 描新技術(shù)、自適應(yīng)光學(xué)軟件開發(fā)、高數(shù)值孔徑長工作距離物鏡等諸元實(shí)現(xiàn)高精度、大面積、快速的光刻平臺(tái)，并通過 模 塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)易拆裝組合和小型化的 目標(biāo)。 光子三維納米加工技術(shù)平臺(tái) 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(jì)算機(jī)控制的光學(xué)掃描系統(tǒng)與高精度壓電納米移動(dòng)平臺(tái)、快速光功率調(diào)制系統(tǒng)、實(shí)時(shí) 測系統(tǒng)、高精度光學(xué)聚 焦系統(tǒng)、高數(shù)值孔徑物鏡等設(shè)計(jì)并研制出可進(jìn)行高精度、快速、并行、重復(fù)加工的技術(shù)平臺(tái)。研制系統(tǒng)的控制軟件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件等，針對(duì)聚合物、金屬、半導(dǎo)體等具有不同特性的功能材料，建立相應(yīng)的二維、三維復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)加工條件參數(shù)與工藝數(shù)據(jù)庫。 功能材料納米結(jié)構(gòu)制備工藝創(chuàng)新與特性的相關(guān)基礎(chǔ)研究 能材料二維、三維納米結(jié)構(gòu)加工工藝原理、方法與特性的基礎(chǔ)研究 按照 材料 和 納米結(jié)構(gòu) 的特點(diǎn)，采取不同的 加工原理與方法 。 針對(duì)聚合物系統(tǒng)，以三維納米結(jié)構(gòu)及其光子學(xué)特性為重點(diǎn)，進(jìn)行微尺度發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化與 性能評(píng)價(jià)。 針對(duì) 金屬納米結(jié)構(gòu)激光納米加工 ,采用激光多光子光化學(xué)還原反應(yīng)制備金屬納米結(jié)構(gòu)，研究材料組成、激光參數(shù)等因素對(duì)所加工的結(jié)構(gòu)尺寸、精度的影響及機(jī)理，實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)的激光加工方法，嘗試制備金屬納米復(fù)雜結(jié)構(gòu) 。 針對(duì)半導(dǎo)體材料，以化合物半導(dǎo)體材料為對(duì)象，研究半導(dǎo)體前驅(qū)物的二維及三維納米結(jié)構(gòu)加工及后處理工藝，研究加工參數(shù)對(duì)半導(dǎo)體特性及納米結(jié)構(gòu)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(chǔ)研究 通過 功能性分子設(shè)計(jì)與合成、納 米復(fù)合材料設(shè)計(jì)與合成、材料表面修飾與改性、激光材料內(nèi)部改性等方法與手段 ，研究 用于器件與系統(tǒng)的相關(guān)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(shí)現(xiàn)微尺度發(fā)光器件提供材料功能化基礎(chǔ)。 根據(jù)器件功能要求，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)光、電功能。 以金屬納米結(jié)構(gòu)加工為主，實(shí)現(xiàn)金屬納米線結(jié)構(gòu)的電學(xué)特性； 以 量子點(diǎn)為主發(fā)光材料，實(shí)現(xiàn)高效發(fā)光結(jié)構(gòu)。 維、三維納米結(jié)構(gòu)的表面功能化原理與方法的基礎(chǔ)研究 以加工的二維、三維納米結(jié)構(gòu)為模版， 研究 利用具有光電功能、環(huán)境響應(yīng)功能的反應(yīng)性 功能分子 對(duì)三維納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面修飾，賦予三維納米結(jié)構(gòu)發(fā)光、傳感等特定功能。 利用已合成的功能納米材料對(duì)所加工的二維、三維納米結(jié)構(gòu)通過表面吸附等方式進(jìn)行表面修飾，以及在二維、三維納米結(jié)構(gòu)表面原位生長納米材料等手段，實(shí)現(xiàn)其表面納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。 利用聚合物三維結(jié)構(gòu)的表面金屬化，制備微納線圈等金屬化功能器件，實(shí)現(xiàn)微米、亞微米尺度的可工作微機(jī)械。 米掩模結(jié)構(gòu)加工原理、方法與應(yīng)用的基礎(chǔ)研究 通過選用具有多種相結(jié)構(gòu)共存態(tài)金屬材料，結(jié)合抑制熱擴(kuò)散的膜層設(shè)計(jì)，在所研制的光刻設(shè)備 上獲得連續(xù)、階躍和復(fù)雜圖形的灰度掩模。為 此，擬針對(duì)不同材料研制不同的鍍膜工藝獲得高平整度的掩模介質(zhì)；通過材料特性分析， 闡明 連續(xù)灰階的存在機(jī)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(zhì)；通過超快激光脈沖和物質(zhì)的相互作用， 明確 材料的超快 響 應(yīng)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(duì)比度、大深差的微納結(jié)構(gòu) 制備工藝 。通過上述研究探索，為 納米掩模的 光刻應(yīng)用 奠定 基礎(chǔ)，并探索 其在微 納光學(xué)陣列、 楔 形波導(dǎo)等器件 制備中的應(yīng)用 。 納米器件制備工藝創(chuàng)新與應(yīng)用探索 型柵結(jié)構(gòu) 高電子遷移率 晶體管的制備技術(shù) 針對(duì)寬禁帶半導(dǎo)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(qiáng)大等特點(diǎn)，研究在 質(zhì)結(jié)界面處的自發(fā)極化與壓電極化效應(yīng)與感生界面電荷密度和電子遷移率的關(guān)系，探索材料質(zhì)量、結(jié)構(gòu)對(duì)器件性能的影響。 研究 高電子遷移率晶體管的工藝，設(shè)計(jì)新型的器件結(jié)構(gòu)材料，優(yōu)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(jié)構(gòu)、 歐姆接觸等工藝上實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，提高器件制備工藝的穩(wěn)定性和可靠性。 研究并利用無 掩模 納米光刻技術(shù)，制作 ，以縮短電子的渡越時(shí)間，減小柵電容，研究 T 型柵小于 100 納米的柵足結(jié)構(gòu)尺寸與器件高頻特性的關(guān)系 。 采用附加場板結(jié)構(gòu)提高器件擊穿電壓，改善電流崩塌效應(yīng)的不利影響，提高器件的功率密度和相關(guān)增益。研究歐姆接觸對(duì)于 件的高功率增益、低膝點(diǎn)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(shí)現(xiàn)較低的歐姆接觸，探索合金溫度和時(shí)間對(duì)固相接觸界面反應(yīng)的影響和穩(wěn)定工藝方法。 屬微結(jié)構(gòu)傳感芯片的研究 采用多種數(shù)值分析方法研究金屬微納結(jié)構(gòu)中表面等 離子體和局域表面等離子體的光激發(fā)和調(diào)控、微結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其相互轉(zhuǎn)化、共振效應(yīng)等的影響，與光模式的相互耦合、能量轉(zhuǎn)移等，探索出結(jié)構(gòu)參數(shù)與其實(shí)現(xiàn)功能的關(guān)系?？紤]如光柵或孔徑結(jié)構(gòu)、二維金屬孔徑及柱狀陣列 等 各種金屬微納結(jié)構(gòu)，研究結(jié)構(gòu)單元單體效應(yīng)產(chǎn)生 結(jié)構(gòu)單元陣列群體效應(yīng)產(chǎn)生 相互轉(zhuǎn)化、耦合，以及對(duì)譜線特性的影響。數(shù)值模擬芯片傳輸及反射譜與環(huán)境折射率參數(shù)變化的關(guān)系，計(jì)算出當(dāng)不同的傳感目標(biāo)與芯片表面結(jié)合時(shí)，譜線移動(dòng)的情況，從而獲得最強(qiáng)響應(yīng)特性的結(jié)構(gòu)排布，為微納結(jié)構(gòu)的制備提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)高靈敏度 微納結(jié)構(gòu)傳感單元的定向設(shè)計(jì)方法。通過無 掩模納米光刻 技術(shù)實(shí)現(xiàn)大面積百納米級(jí)圖形的光刻膠 掩模 ，通過半導(dǎo)體工藝中的電子束蒸發(fā)及金屬剝離工藝，制作周期性排布的金屬微結(jié)構(gòu)陣列。深入研究多光子激發(fā)過程，曝光圖形尺寸及形貌控制方法，優(yōu)化各項(xiàng)工藝參數(shù)，研究多光子納米加工技術(shù)快速制作大面積百納米級(jí)圖形的均勻性及可靠性問題，制作出光譜響應(yīng)性能優(yōu)異的基于表面等離子體共振機(jī)制金屬微納結(jié)構(gòu)傳感單元。 靈敏度量子點(diǎn)光電傳感器研究 研究 a)子點(diǎn)的特性如發(fā)光波長、密度等， 制摻雜結(jié)構(gòu)的 摻雜濃度等是獲得器件的材料基礎(chǔ)；研究器件的制備工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最佳優(yōu)化，特別是利用無 掩模 光刻技術(shù)后引起的結(jié)構(gòu)變化等?，F(xiàn)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(huì)有顯著提高，特別是當(dāng)面積小于1，這種變化更加明顯。但當(dāng)前研究的最小面積在 1都是通過電子束光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)，我們將利用無掩模 納米 光刻技術(shù) 開 展這一研究 ， 爭取實(shí)現(xiàn)柵長小于 100效光吸收面積小于 利用無 掩模光刻技術(shù)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(duì)器件性能的影響。研究量子點(diǎn)調(diào)制摻雜場效應(yīng)結(jié)構(gòu)的光電特性，特別是對(duì)微弱信號(hào)的響應(yīng)特性，并研究其在不同光激勵(lì)條件下展現(xiàn)出的獨(dú)特器件性質(zhì)。通過研究厚有源區(qū)吸收層，光學(xué)限制層，或透明柵電極等方法對(duì)器件量子效率的影響，提高器件光電響應(yīng)量子效率。 靈敏度三維微納傳感器設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用探索 針對(duì) 不同 檢測目標(biāo)和環(huán)境，用特定金屬納米粒子對(duì) 三 維納米結(jié)構(gòu) 進(jìn)行 表面修飾，研究修飾物分子與 三 維納米結(jié)構(gòu) 的相互作用，以及表面修飾對(duì) 三 維納米結(jié)構(gòu) 化學(xué)和物理性質(zhì)的影響。 通過三維納米結(jié)構(gòu)的多功能修飾或不同修飾的三維納米結(jié)構(gòu) 組成陣列，針對(duì) 苯、甲醛、 要重點(diǎn)關(guān)注的化學(xué)物種和 萄糖、谷胱甘肽等典型生物種， 形成多目標(biāo)同時(shí)檢測，構(gòu)筑基于 三維納米結(jié)構(gòu) 的高靈敏度、高選擇性光響應(yīng)新型化學(xué)傳感器 芯片 ， 研究 其 結(jié)構(gòu)與靈敏度及選擇性的關(guān)系，研究不同結(jié)構(gòu)傳感器的檢測極限及線性響應(yīng)范圍和非線性修正方法。 利用三維金屬納米結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)高靈敏度電化學(xué)手性傳感器。 借助結(jié)構(gòu)表征手段，包括分析三維納米結(jié)構(gòu)的尺寸、分布等；通過研究其光響應(yīng)，包括拉曼增強(qiáng)響應(yīng)、 熒光響應(yīng)等與被檢測物種類和濃度的依賴關(guān)系，確定其靈敏性和選擇性的范圍以及抗干擾特性。 新點(diǎn) 與特色 (1)充分運(yùn)用光與物質(zhì)相互作用的相關(guān)物理效應(yīng)，通過理論與實(shí)驗(yàn)的緊密結(jié)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(shù)體系， 突破傳統(tǒng)理論，在無掩模的條件下，實(shí)現(xiàn)超越衍射極限限制的納米尺度加工 是本項(xiàng)目最為重要的創(chuàng)新點(diǎn)，也是本項(xiàng)目之特色所在。 (2)通過控制光與物質(zhì)在三維空間特定有限區(qū)域的相互作用，實(shí)現(xiàn) 納米尺度超衍射三維結(jié)構(gòu)加工 是本項(xiàng)目最為獨(dú)特之處，可以制備出利用其他加工技術(shù)所無法實(shí)現(xiàn)的、可設(shè)計(jì)的 任意復(fù)雜三維結(jié)構(gòu) ，通過與相關(guān) 技術(shù)相結(jié)合，將為研究納米尺度下的三維效應(yīng)、開發(fā)新型三維 納米 器件提供強(qiáng)有力的工具與技術(shù)平臺(tái)，并將為實(shí)現(xiàn)三維器件集成提供新的途徑。因此，三維納米結(jié)構(gòu)加工與器件制備是本項(xiàng)目重要的創(chuàng)新點(diǎn)和特色。 (3)通過光子束加工原理的突破，研制 具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 無掩模光子束超衍射納米加工 設(shè)備 ，建立高精度、大面積、可重復(fù)、低成本的納米加工 技術(shù)平臺(tái) ，在功能材料上實(shí)現(xiàn)二維、三維納米結(jié)構(gòu)，探索基于功能材料二維、三維納米結(jié)構(gòu)的新器件原理、加工制備、性能與應(yīng)用，從而形成一個(gè) 從科學(xué)原理突破、加工方法創(chuàng)新、設(shè)備技術(shù) 開發(fā)到器件應(yīng)用技術(shù)探索的完整價(jià)值鏈 ， 充分體現(xiàn)了本項(xiàng)目多學(xué)科交叉的最大特色與創(chuàng)新。 行性分析 本項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)近年來一直在相關(guān)領(lǐng)域保持著國際先進(jìn)的研究水平，并獲得了部分國際領(lǐng)先水平的研究成果，起到了一定的引領(lǐng)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的作用。本項(xiàng)目是我們多年來對(duì)相關(guān)國際前沿領(lǐng)域從事研究工作所獲得的多學(xué)科知識(shí)、前沿技術(shù)與創(chuàng)新性學(xué)術(shù)思想進(jìn)行總結(jié)、提煉的結(jié)果。研究團(tuán)隊(duì)在前期研究過程中已取得的與本項(xiàng)目相關(guān)的重要研究成果如下： 在弱光非線性光學(xué)、 超快光子學(xué)、 非線性光傳輸和光調(diào)控以及復(fù)合結(jié)構(gòu)材料體系中的光電功能調(diào)控等方面都 有很強(qiáng)的研究實(shí)力，已取得了一些具有國際領(lǐng)先水平的創(chuàng)新性成果，為本項(xiàng)目的推進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 在無掩模納米光刻技術(shù)研究中，利用可見光源初步實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(bào)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(shí)驗(yàn)結(jié)合，初步明確了加工分辨率與加工參數(shù)之間的關(guān)系，為建立系統(tǒng)的多光子納米加工技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 。 在多光子平行加工技術(shù)研究中，已 成功開發(fā)出 了具有組合、集成特征的快速制備 技術(shù) ，為微尺度機(jī)械部件的組裝難題提供了 有效的 解決方案，為微機(jī)電系統(tǒng)的快速加工與集成制備打下了良好基礎(chǔ)。 在光子晶體的研究中，實(shí)現(xiàn)了周期連續(xù)可調(diào)的金剛石結(jié)構(gòu)三維光子晶體的制備，其周期變化控制精度達(dá)到數(shù)十納米，并成功制備出光子帶隙可調(diào)的雙帶隙光子晶體，為以光子晶體為基礎(chǔ)的新型器件提供了新的研究與應(yīng)用思路。 在多光子納米加工材料光功能化方面，通過反應(yīng)性發(fā)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(xiàn)象，為實(shí)現(xiàn)基于三維納米結(jié)構(gòu)的無反射腔、無閾值微尺度激光器件提供了途經(jīng)，并為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)有源、無源器件并存的微尺度集成光學(xué)系統(tǒng)的研究打下了良好基礎(chǔ)。 在納米復(fù)合材料三維微納結(jié)構(gòu)加工制備方面，實(shí)現(xiàn)了 多光子三維納米結(jié)構(gòu)加工技術(shù)與半導(dǎo)體納米復(fù)合材料 可控制備方法 的結(jié)合 ，已獲得多種不同發(fā)光特性的三維微納結(jié)構(gòu)。該成果在 志網(wǎng)絡(luò)版發(fā)表后，被志在 目加以報(bào)道，認(rèn)為為 納米材料在 微尺度發(fā)光器件 中的應(yīng)用 提供了新的 途徑 。 在量子點(diǎn)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(diǎn)激光器；在量子點(diǎn)調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)方面，也有初步的探索，為無 掩模 技術(shù)制備量子點(diǎn)場效應(yīng)管奠定了良好的材料和工藝基礎(chǔ)。 利用拉曼增強(qiáng)探測被檢測物時(shí)，選擇具有拉曼增強(qiáng)效應(yīng)的 金屬為修飾物，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)對(duì) 至 10濃度檢測 。 總之，研究團(tuán)隊(duì)在光子束超衍射納米加工技術(shù)及其 相關(guān)領(lǐng)域 已經(jīng)進(jìn)行的研究工作，使我們已擁有了對(duì)相關(guān)科學(xué)問題 深刻的理解認(rèn)識(shí) 、形成了具有 創(chuàng)新性的學(xué)術(shù)思想、 積累了 豐富的研究經(jīng)驗(yàn)、具備了在本領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn) 重大 突破的 堅(jiān)實(shí) 基礎(chǔ)與能力。因此，在本項(xiàng)目研究期間，我們完全 可能在光子束納米加工關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面取得重大突破，獲得國際領(lǐng)先水平的研究成果。 題設(shè)置 開展光子束納米加工與器件制備及其 應(yīng)用基礎(chǔ)研究，首先是對(duì)光子束納米加工機(jī)理及加工中所存在的關(guān)鍵 科學(xué)問題 進(jìn)行研究，使利用光子束實(shí)現(xiàn)納米尺度加工成為可能 。 在此基礎(chǔ)上 ， 針對(duì) 關(guān)鍵 技術(shù)問題 ， 進(jìn)行具有潛在應(yīng)用前景的納米材料及納米結(jié)構(gòu)器件制備原理研究，通過加工制備技術(shù)與納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)納米器件構(gòu)筑，并對(duì)器件特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，建立納米材料、納米結(jié)構(gòu)、納米器件與性能之間的關(guān)系，掌握高性能器件構(gòu)筑規(guī)律，進(jìn)一步 發(fā)展 納米結(jié) 構(gòu)及納米器件在信息、生物等方面的應(yīng)用。在研究方法上，通過理論與實(shí)驗(yàn)的緊密結(jié)合，揭示光與物質(zhì)之間在納米尺度下相互作用的規(guī)律，掌握納米結(jié)構(gòu)與納米器件的基本特性。本項(xiàng)目以發(fā)展兩種光子束納米加工原理與關(guān)鍵技術(shù)為核心，在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)典型納米結(jié)構(gòu)加工、典型微納米器件制備原理與構(gòu)筑的研究，展示光子束納米加工技術(shù)的優(yōu)勢與應(yīng)用前景。 為此， 本項(xiàng)目 設(shè)置以下 4 個(gè)研究課題： 課題一： 光子束超衍射納米加工基本原理基礎(chǔ)研究 課題二： 無掩模納米光刻 機(jī)理、關(guān)鍵技術(shù)、工藝創(chuàng)新與應(yīng)用基礎(chǔ)研究 課題三： 多光子納米加工機(jī)理、關(guān)鍵技術(shù)、工藝創(chuàng)新 與應(yīng)用基礎(chǔ)研究 課題四： 納米器件 制備工藝創(chuàng)新與 應(yīng)用 基礎(chǔ) 研究 課題 一 光子束超衍射納米加工基本原理基礎(chǔ)研究 研究內(nèi)容： 1. 研究激光參數(shù)針對(duì)不同材料產(chǎn)生多光子吸收與光熱局域等物理效應(yīng)的機(jī)制。 2. 研究微納尺度下光聚合引發(fā)劑的自由基產(chǎn)生機(jī)理與擴(kuò)散過程，單體的布朗運(yùn)動(dòng)與光聚合過程之間的時(shí)間特性與關(guān)系等，建立微區(qū)下光聚合過程的化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型。 3. 研究無掩模納米光刻中材料的光誘導(dǎo)瞬態(tài)自聚焦和自陷效應(yīng)、瞬態(tài)等離子體形成、等離子體誘導(dǎo)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(tài)非線性過程機(jī)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(kuò)散效應(yīng)對(duì)加工分辨率的影響。 研究目標(biāo)： 1. 解決弱光信號(hào)測量的信噪比問題，針對(duì)不同微區(qū)光化學(xué)與光物理過程的需求，建立微區(qū)飛秒、皮秒或納秒時(shí)間分辨熒光光譜、吸收光譜和顯微拉曼測量系統(tǒng)。 2. 建立微區(qū)下多光子光聚合過程的化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型，為設(shè)計(jì)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(dǎo)。 3. 澄清無掩模納米光刻中多種非線性效應(yīng)的物理機(jī)制，如光誘導(dǎo)瞬態(tài)自聚焦和自陷效應(yīng)、瞬態(tài)等離子體形成、自組織的周期性折射率變化等瞬態(tài)非線性過程機(jī)理。 承擔(dān)單位： 南開大學(xué)、國家納米科 學(xué)中心 建議課題負(fù)責(zé)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(qiáng)副教授 ，鄭建亞高級(jí)實(shí)驗(yàn)師 ， 王奇助理研究員 ， 王振華講師 ， 唐莉勤講師 經(jīng)費(fèi)比例： 19% 課題二 無掩模納米光刻 機(jī)理、關(guān)鍵技術(shù)、工藝創(chuàng)新與應(yīng)用基礎(chǔ)研究 研究內(nèi)容： 1. 進(jìn)行無掩模納米光刻用材料設(shè)計(jì)，選擇合適的金屬、半導(dǎo)體相變材料、改性光刻膠，進(jìn)行膜層設(shè)計(jì)優(yōu)化，研究受體材料的閾值效應(yīng)、光熱和光吸收效率、熱擴(kuò)散效應(yīng)抑制、超快響應(yīng)速度等對(duì)加工分辨率的影響，實(shí)現(xiàn)激光無掩模超衍射納米加工。 2. 通過改造研制可進(jìn)行 高精度、可重復(fù)、快速刻制、大尺度加工的激光無掩模納米光刻關(guān)鍵設(shè)備，建立相應(yīng)的納米加工技術(shù)平臺(tái)。 3. 研究超衍射光學(xué)加工的原理，闡明微區(qū)等離子增強(qiáng)效應(yīng)、近場效應(yīng)、非線性自局域效應(yīng)、閾值效應(yīng)等對(duì)超衍射納米光刻效果的影響和貢獻(xiàn)。 依據(jù)無掩模光刻技術(shù)和灰度掩模技術(shù)，研究 探索 制備 不同形狀的結(jié)構(gòu)器件的相應(yīng)技術(shù)。 研究目標(biāo)： 1. 制備出面向連續(xù)、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(shù)，如光學(xué)陣列的制備技術(shù)，以及微流控和傳感器制備技術(shù)。 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(shí)驗(yàn)條件限制的掩模制備技術(shù)。 3. 建立高分辨率激光加工系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)大面 積（ 100100可重復(fù)的直接刻寫， 用可見光實(shí)現(xiàn) 100 納米以下的加工分辨率。 承擔(dān)單位： 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所、國家納米科學(xué)中心 建議課題負(fù)責(zé)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(jí)工程師 ， 郭延軍高級(jí)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(jīng)費(fèi)比例： 23 % 課題 三 多光子納米加工機(jī)理、關(guān)鍵技術(shù)、工藝創(chuàng) 新與應(yīng)用基礎(chǔ)研究 研究內(nèi)容： 1. 研究多光子聚合反應(yīng)納米尺度控制的物理、化學(xué)機(jī)制，設(shè)計(jì)合成高效多光子引發(fā)劑，研究光聚合引發(fā)劑濃度、閾值效應(yīng)、自由基淬滅劑、預(yù)聚物組分、加工溫度對(duì)加工分辨率的影響，挑戰(zhàn)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(yīng)機(jī)理與納米尺度控制機(jī)制；研究多光子光化學(xué)還原中表面活性劑對(duì)金屬納米粒子尺度的影響；研究激光參數(shù)對(duì)金屬納米結(jié)構(gòu)尺寸、精度的影響；研究進(jìn)行三維金屬納米結(jié)構(gòu)的加工方法，制備三維金屬納米復(fù)雜結(jié)構(gòu)。 3. 研究利用衍射分光與微透鏡陣列分光技術(shù)，實(shí)現(xiàn)密排大數(shù)目器件單元的并行加工 分光，發(fā)展并行加工技術(shù)。 4. 研究微納復(fù)合結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)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(fù)合結(jié)構(gòu)體系中的帶隙效應(yīng)、光波傳播局域效應(yīng)、局域增強(qiáng)效應(yīng)、時(shí)空色散效應(yīng)，進(jìn)行功能測試和相關(guān)性能表征。 5. 研究材料功能化方法與納米結(jié)構(gòu)表面功能化方法，研究激光染料摻雜和半導(dǎo)體量子點(diǎn)摻雜，制備可用于光子束納米加工的發(fā)光功能材料，研究基于光子晶體的微尺度發(fā)光器件等原理性器件，對(duì)其特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。 6. 研究高靈敏度光化學(xué)與電化學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)原理、制備方法，針對(duì)不同檢測對(duì)象，設(shè)計(jì)相應(yīng)材料、制備三維納米結(jié)構(gòu)、進(jìn)行 表面修飾，對(duì)傳感特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。 研究目標(biāo)： 1. 掌握多光子納米加工的物理、化學(xué)機(jī)制，澄清決定加工分辨率與加工精度的關(guān)鍵因素，挑戰(zhàn)光子束納米加工極限，實(shí)現(xiàn) 10 納米加工線寬。 2. 掌握多光束平行加工技術(shù)，建立具有高精度、可重復(fù)、快速、三維復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)加工的多光子納米加工技術(shù)平臺(tái)。 3. 掌握實(shí)現(xiàn)三維納米結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)閾值功率在納焦量級(jí)的無反射鏡微尺度激光器件。 4. 掌握三維納米結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)高靈敏度傳感中的基本規(guī)律與設(shè)計(jì)原理，實(shí)現(xiàn)高靈敏度光化學(xué) 與電化學(xué)傳感器，達(dá)到 10上的檢測濃度。 承擔(dān)單位： 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 、 中國科學(xué)院 半導(dǎo)體所 課題負(fù)責(zé)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(wèi)強(qiáng)副研究員 ，王曉東副研究員， 陳茜副研究員 ， 李云閣高級(jí)工程師 ， 金峰助理研究員 ， 董賢子助理研究員 ， 闞強(qiáng)助理研究員 經(jīng)費(fèi)比例： 30% 課題 4 納米器件制備工藝創(chuàng)新與應(yīng)用基礎(chǔ)研究 研究內(nèi)容 1. 研究利用光子束超衍射納米加工技術(shù) 制備三維 T 形柵結(jié)構(gòu)的工藝，實(shí)現(xiàn)100長的 T 形柵電極結(jié)構(gòu)；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(fā)新工藝方法，優(yōu)化器件工藝，在 化層制備、歐姆接觸等工藝上實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，提高器件制備工藝的穩(wěn)定性和可靠性，實(shí)現(xiàn) 件的工作頻率大于 5究器件的電學(xué)特性與 T 型柵的柵長和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)系。 2. 研究利用光子束超衍射納米加工技術(shù) 制備金屬納米陣列結(jié)構(gòu)，探索新型納米加工技術(shù)與半導(dǎo)體工藝兼容的技術(shù)途徑，研究微納加工過程的可靠性、均勻性及工藝穩(wěn)定性、可重復(fù)性；制作多種微結(jié)構(gòu)形狀的金屬納米陣列傳感芯片，研究金屬納米結(jié)構(gòu)制備過程中的尺度效應(yīng)及界面效應(yīng)，優(yōu)化工 藝流程，探索在同一芯片上實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感單元的低成本快速制造方法；采用易于進(jìn)行生物敏感層修飾的金屬作為納米陣列結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)材料，研究敏感材料與載體相互作用機(jī)理及特異性識(shí)別，分析加工制備工藝對(duì)微觀結(jié)構(gòu)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(shù) 制備高靈敏度 a)子點(diǎn)場效應(yīng)管光電傳感器；研究其在受光面積小于 1 件工藝中的應(yīng)用及工藝兼容性；探索利用上述技術(shù)制備超薄肖特基柵，并研究不同種類的金屬柵對(duì)器件性能的影響；探索其在制備 透明柵中的技術(shù)途徑，并研究 透明柵與光學(xué)增透膜的光學(xué)復(fù)合膜對(duì)器件性能的影響；通過以上研究實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)光電傳感器性能，并不斷提高器件 光探測 性能，實(shí)現(xiàn) 100長。 研究目標(biāo)： 1. 實(shí)現(xiàn)光子束超衍射納米加工技術(shù)與半導(dǎo)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(wěn)定性，提供兼容工藝的技術(shù)途徑。 2. 結(jié)合光子束超衍射納米加工技術(shù)與半導(dǎo)體工藝，制備 出 100 納米柵長的三維件工作頻率大于 5 3. 結(jié)合光子束超衍射納米加工技術(shù)與半導(dǎo)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(jié)構(gòu)，探索金屬 微結(jié)構(gòu)陣列傳感芯片低成本快速制作方法，其 檢測靈敏度優(yōu)于 200 4. 結(jié)合光子束超衍射納米加工技術(shù)與半導(dǎo)體工藝，通過 出 制作柵長 100 納米的高靈敏度 a)現(xiàn)器件的光探測功能。 承擔(dān)單位： 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、 南開大學(xué) 課題負(fù)責(zé)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(qiáng)實(shí)驗(yàn)師 經(jīng)費(fèi)比例： 24 % 題間的有機(jī)聯(lián)系 與 項(xiàng)目預(yù) 期目標(biāo)的關(guān)系 本項(xiàng)目所設(shè)置的四個(gè)研究課題之間的關(guān)系如圖所示。 以上課題，既有各自的研究重點(diǎn)，同時(shí)課題間相互交叉、融合，互為支撐，從而形成一個(gè)光子束納米加工 原理、關(guān)鍵 技術(shù)與器件設(shè)計(jì)、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(zhì)相互作用機(jī)理為研究重點(diǎn)，通過尺度效應(yīng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究，為課題 2 及課題 3 提供科學(xué)基礎(chǔ)。課題 2 與課題 3 以發(fā)展兩種光子束超衍射納米加工技術(shù)為核心，通過對(duì)加工材料、方法、參數(shù)與條件的深入研究，掌握核心技術(shù)，研制關(guān)鍵設(shè)備，在此基礎(chǔ)上建立技術(shù)平臺(tái)，開展功 能材料二維、三維納米結(jié)構(gòu)加工與器件制備 技術(shù) 研究，為課題 4 器件制備與研究提供基礎(chǔ)。課題 4 以光子束超衍射納米加工與半導(dǎo)體加工的匯聚技術(shù)為突破口，研究半導(dǎo)體、金屬、量子點(diǎn)等功能材料的二維、三維納米器件的設(shè)計(jì)、制備工藝與應(yīng)用，是課題 2 與課題 3 的應(yīng)用研究。 四、年度計(jì)劃 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第一年度 1、 改造瞬態(tài)分析系統(tǒng)，搭建激光波前整形系統(tǒng)。 2、 對(duì)現(xiàn)有無掩模納米 光刻設(shè)備 進(jìn)行升級(jí) 改造。 3、 開展 無掩模納米 光刻受體原片的研究 ， 進(jìn)行 受體材料的膜層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 對(duì)光刻受體材料進(jìn)行優(yōu)化。 4、 設(shè)計(jì)合成高效多光子引發(fā)劑，對(duì)其特性進(jìn)行 評(píng)價(jià)； 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(shù)對(duì)多光子激發(fā)過程的影響。 5、 研究利用多光子光還原