北京
研究人員將材料暴露于電子束下，由此產生定向應力，形成有序圖案。
一項新技術正幫助科學家在室溫下于芯片材料上創建納米級圖案。該技術利用材料的晶體結構，直接在包括二氧化硅在內的器件用硬質材料上生成納米級圖案。
該方法可讓同時傳遞電子信號和光信號的芯片圖案化更為簡便，有助推動下一代光子與光電器件的發展。
材料即使在室溫下也能緩慢變形
“在電子束作用下，二氧化硅中的原子鍵可重新排列，因此材料即使在室溫下也能緩慢變形，”萊斯大學材料科學與納米工程助理教授、該研究的通訊作者 Hae Yeon Lee 表示。
“挑戰在于，二氧化硅在電子束下自身并不會變形——它還需要一個應力源。我們的想法是使用α-三氧化鉬作為應力源。”
研究人員將材料暴露于電子束下，由此產生定向應力，形成了有序圖案，出現了一排排間隔均勻的波紋，并與晶體的內部結構對齊。
硬材料往往會開裂或形成隨機缺陷
“在這項工作中，我們將原子尺度的各向異性轉化為數百納米尺度的褶皺，”Lee 說，“這些波紋遠小于人類發絲的寬度，能夠彎曲和分解光線，就像 CD 上的凹槽產生彩虹色一樣。這使它們可用作光柵，也就是在芯片上引導光的結構。”
研究人員還揭示，硬材料在受到基于機械應力的圖案化作用時，往往會開裂或形成隨機缺陷。因此，盡管基于褶皺的圖案化技術無需標準芯片制造中涉及的復雜工序便能生成納米結構，但此前普遍認為這些技術需要柔軟、有彈性的襯底。
該團隊還展示了一種在剛性絕緣材料上實施基于褶皺的圖案化的新方法。此外，通過改變各向異性層的厚度或電子束強度，還能對圖案進行調控。
“這項研究很實用，因為制造納米級褶皺狀圖案的傳統方法往往需要眾多制造步驟、高昂的成本，以及可能在芯片表面留下殘留物的化學處理過程，”Lee 說，“而用我們的方法，只需在室溫下一個簡單的步驟就能生成這些褶皺。”
圖案化完成后，α-三氧化鉬層可直接從二氧化硅上剝離。
研究人員透露，他們在其他常見絕緣材料（包括氧化鋁和氮化硅）上也觀察到了類似效果，這表明該方法可廣泛應用于半導體制造中已有的各種材料。直接在標準芯片材料上構建光學結構的能力，可為將光基技術融入未來器件提供一條更簡便的途徑。
該團隊將一層各向異性晶體置于二氧化硅之上，并用電子束照射兩者。這導致α-三氧化鉬在應力下發生屈曲，同時使其下方的二氧化硅軟化。
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