【基金】2010CB934100-光子束超衍射纳米加工技术与应用基础研究

项目名称：光子束超衍射纳米加工技术与应用基础研究首席科学家：段宣明 中国科学院理化技术研究所起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：中国科学院一、研究内容一、 拟重点解决的关键科学技术问题（1）光子束超衍射纳米加工的实现途径与机理利用光子束实现超衍射纳米加工，其科学问题的本质是一个纳米尺度下光与物质相互作用过程的控制问题。在无掩模纳米光刻技术中，其关键所在是如何利用超衍射结构对光进行局域，如何利用加工材料的光阻和热阻特性将其相变范围控制在纳米尺度。在多光子三维纳米加工技术中，如何将发生多光子激发过程及其所诱发的光化学反应过程控制在纳米尺度是其核心问题。这一问题可以归结为实现非线性光物理效应所导致的物理化学过程的纳米尺度控制问题。（2）光子束超衍射纳米加工的极限分辨率与精度控制问题光子束超衍射纳米加工的物理与化学极限，其实质是解决“弱束缚微区内发生的高度非平衡反应的尺寸控制”这一科学问题，是实现光子束超衍射纳米加工的极限分辨能力与精度的关键所在。本项目将通过光与材料相互作用的非线性机理与阈值效应、激光参数与材料特性对加工精度的影响、加工精度与几何形貌的控制机理等研究，解决上述科学问题，挑战光子束超衍射纳米加工的加工分辨率极限与加工精度。（3）功能纳米结构制备原理、特性及相关基本科学问题进行结构、材料与表面功能化设计，明确功能纳米结构制备原理，发展相应的制备工艺，阐明功能纳米结构与特性之间的关系是利用光子束超衍射纳米加工技术实现功能纳米结构制备与应用需要解决的关键科学问题。本项目拟通过设计、制备不同材料的二维、三维纳米结构以实现结构功能化，实现半导体、金属及无机功能材料的纳米结构制备；采用在加工材料中进行功能分子与纳米材料掺杂等方法解决材料功能化问题；通过表面修饰等方法在二维、三维纳米结构表面实现功能分子与纳米材料的组装以解决纳米结构的表面功能化问题。（4）基于光子束超衍射纳米加工的器件制备工艺创新与应用探索要利用光子束超衍射纳米加工技术实现器件制备工艺的创新，必须解决光子束超衍射纳米加工技术与半导体加工技术的汇聚问题。本项目将重点解决在半导体功能器件制作中的工艺兼容性、稳定性及可靠性问题，拟通过设计制备具有高分辨特性且适合于光子束超衍射纳米加工技术的光阻材料，利用正、负型光阻材料特性，实现不同器件结构制备工艺的创新，制备出相应的纳米器件。二、 主要研究内容针对上述关键科学技术问题，本项目将开展以下四类研究工作。主要研究内容如下： 第一类：光子束超衍射纳米加工原理的基础研究1.1 无掩模激光直写纳米加工技术的物理、化学机理研究研究激光与光刻胶、金属材料以及半导体相变材料的相互作用光物理过程和光化学反应机制等纳米加工机理，明确各种相关物理参数的影响及关系，建立纳米尺度下的基于半导体相变材料和光刻胶的无掩模、基于金属材料体系的灰度掩模激光直写纳米加工理论体系。研究超衍射结构中介质层、金属层与加工对象的组分与形态对纳米加工尺度的影响，针对不同加工对象物质建立相应的模型，明确超衍射膜层结构与加工尺度之间的关系，澄清其物理机制。1.2 多光子纳米加工中的物理、化学机理与理论体系以聚合物和金属材料为对象，研究包括多光子效应的光物理过程与光化学反应机理等多光子纳米加工机理，阐明纳米尺度下多光子过程的作用机理与控制机制，明确各种相关物理参数的影响及关系，建立基于纳米尺度下光与物质非线性相互作用的多光子纳米加工理论体系。研究多光子加工过程中加工对象、材料组分与形态对纳米加工尺度的影响，针对不同加工对象物质建立相应的模型并明确加工参数。研究利用波前整形技术对激光光束质量进行调制，研究激光光束的偏振、形状等参数对多光子过程的影响。1.3 光子束超衍射纳米加工的极限分辨率与精度 研究加工中的化学反应扩散、热量扩散过程对加工分辨率的影响。研究在光刻胶中通过引入阻聚组分对限制聚合反应扩散的影响。研究利用表面活性剂限制光还原过程中金属纳米粒子的生长。研究温度对加工分辨率的影响，尝试低温条件下的加工。研究激光参数、扫描条件、近邻效应、前、后处理条件对加工精度的影响。通过优化材料组分、加工条件及相关过程，实现50纳米加工分辨率及10纳米加工精度，挑战极限加工分辨率与加工精度。第二类：光子束超衍射纳米加工的关键技术基础研究与平台研制2.1光子束超衍射纳米加工高保真制备工艺研究加工方法、加工条件、材料特性、后处理过程对加工结构保真度的影响机理与控制方法，明确结构设计与加工结果之间的关系，建立包括结构设计与修正参数在内的结构高保真加工制备体系，为器件精密制备提供结构设计与加工的基础和方法。2.2光子束超衍射纳米加工的平行加工技术进行平行加工光学系统设计，发展大规模、快速、多光束超衍射纳米加工技术。针对不同器件与系统加工制备要求，设计研制易于控制、具有组合与集成特征的平行加工系统，发展高分辨、高精度超衍射纳米光子平行加工技术。2.3 基于激光直写技术的纳米光刻技术平台研制针对金属材料、相变材料和光刻胶实现可见波长激光直写纳米加工的技术平台，获得实现大面积、高精度、快速、可重复加工技术，研究解决实现高加工分辨率的方法，用可见光实现100纳米以下的加工分辨率。研究材料组分、膜层结构、加工参数对加工物结构的特征尺寸、最小线间距、表面粗糙度等结构参数的影响机制，明确针对不同材料与结构的加工参数。2.4 多光子三维纳米加工技术平台 研制采用可见及近红外激光作为光源的多光子三维纳米加工技术平台，重点研究有机材料、金属材料、半导体材料等进行多光子纳米加工时前驱物成分、激光参数对纳米加工分辨率的关键影响因素，研究材料组分、加工参数、加工方法对加工物结构的线宽、长径比、最小线间距、表面粗糙度等结构参数的影响机制，明确邻近效应对加工精度的影响，确立多光子三维纳米加工关键工艺。第三类：纳米结构制备工艺创新的相关基础研究3.1 功能材料二维、三维纳米结构加工工艺原理与方法针对聚合物、金属、半导体、介质材料等具有不同功能与特性的材料，研究相应的利用光子束超衍射纳米加工技术进行二维、三维纳米结构加工的工艺原理与方法。研究光子束超衍射纳米加工技术与半导体加工技术的汇聚问题，实现聚合物、半导体、金属等功能材料的二维、三维纳米结构。以微纳尺度光子学器件为对象，研究基于光子晶体的二维、三维微尺度光波导、布拉格光栅等无源器件与微尺度光放大器等有源器件的设计原理与高精度制备技术。3.2 多光子三维纳米加工用材料功能化原理与方法通过反应性荧光染料的设计合成、半导体纳米发光材料的原位合成与控制、半导体量子点的表面改性与掺杂等方法，研究制备具有发光特性的适合于多光子三维纳米加工的光聚合树脂，以实现三维微纳结构的发光功能。通过设计合成高折射率光聚合树脂、在树脂中掺杂高折射率无机纳米粒子等方法，提高材料的折射率，实现器件的光学特性高性能化。3.3 纳米结构的表面功能化原理与方法进行三维纳米结构表面设计，采用功能性分子表面反应、纳米材料表面吸附等方法对结构表面进行改性，赋予三维纳米结构表面特异的功能特性，研究修饰物分子及纳米材料与三维纳米结构之间的相互作用，以及表面修饰对三维纳米结构化学和物理性质的影响。3.4 纳米掩模的加工原理、方法与应用寻找具有连续灰阶功能的简单材料体系作为灰度掩模材料，替代基于复杂材料体系HBPS玻璃或基于铬版的灰度掩模材料，以大幅降低成本。在此基础上研究利用无掩模纳米光刻技术制备纳米灰度掩模。通过连续和阶跃灰度掩模技术制备微光学阵列和楔型波导器件；通过无掩模技术和灰度掩模技术制备微流器件。第四类：纳米器件制备工艺创新与应用探索4.1 T型栅结构GaN基高电子迁移率晶体管的制备技术研究三维T形栅的结构设计与超衍射纳米光子加工工艺，自由地改变三维T形栅的头脚比例，优化三维T形栅的形状和结构稳定性，在有机薄膜材料上形成三维T形栅立体结构，通过模式反转技术在半导体材料上实现100纳米栅长的三维T型金属栅结构。在GaN基高电子迁移率晶体管上实现三维T形栅电极，设计新型器件结构，优化器件工艺，提高器件制备工艺的稳定性和可靠性。研究GaN基高电子迁移率晶体管的高频响应特性与T型栅的栅长和结构稳定性的关系。4.2 金属微结构传感芯片的研究研究基于金属纳米阵列结构的表面等离子体共振效应，理论分析其表面等离子共振谱线与阵列结构参数的关系，采用电磁数值模拟方法计算并优化金属纳米阵列结构共振波长对环境参数的变化关系；结合光子束超衍射纳米加工技术及半导体加工工艺制备金属薄膜纳米阵列芯片，探索在同一芯片上实现多个传感单元的低成本快速制造方法；测试和表征金属纳米阵列结构的光谱响应，分析其共振峰值与环境参数的变化关系，探索初步的生化传感实验研究。4.3 高灵敏度量子点光电传感器研究研究量子点调制掺杂场效应管的器件结构设计、优化与材料制备。进行无掩模纳米光刻制备高灵敏度量子点场效应管光电传感器的工艺技术探索，实现器件性能并达到或超过现阶段国内外水平。利用无掩模光刻技术制备超薄肖特基栅，研究量子点调制掺杂场效应结构的光电探测特性。研究提高器件光电响应量子效率的途径。4.4 高灵敏度三维微纳传感器构筑原理与应用探索构筑新型三维纳米化学传感器，研究三维纳米结构传感器在被检测物环境下其吸收、发光或拉曼散射的波长、强度等变化规律，实现对多种化学被检测物的高灵敏、高选择性检测。研究目标物对三维纳米结构电学性质的影响，实现基于三维纳米结构场效应管式化学传感器。通过在功能电极上实现二维、三维纳米结构，增加电极的比表面积，提高电极的灵敏度。研究三维纳米结构对物质在电极表面扩散传输过程，构筑基于三维纳米结构的电化学手性传感器。研究光化学与电化学传感器结构与其灵敏度及选择性之间的关系，研究不同结构传感器的检测极限及线性响应范围和非线性修正方法。二、预期目标1 总体目标深入研究并解决光子束纳米加工技术中的重大关键基础科学问题，在可见光及近红外激光的纳米结构加工原理、技术及其应用方面取得突破，发展具有自主知识产权、具有国际先进水平的高精度、大面积、可重复、低成本的光子束超衍射纳米加工技术，确立在新型纳米加工技术领域国际竞争中的优势地位，增强在纳米器件研究开发领域的自主创新能力，推动我国的科技进步。2.五年预期目标1) 突破经典光学理论衍射极限的限制，发展光子束超衍射纳米加工理论，以可见及近红外激光作为光源，实现50纳米加工分辨率、10纳米加工精度，挑战极限加工分辨率。2) 建立无掩模纳米光刻和多光子三维纳米加工技术平台，实现高精度、大面积、可重复、低成本、无苛刻实验条件限制的纳米结构加工。3) 制备出可用于微光学阵列、微流控器件及半导体器件等纳米加工的具有连续和阶跃的灰度掩模。4) 制备出基于二维、三维光子晶体的微尺度光波导、布拉格光栅等无源器件与微尺度光放大器等有源器件和高灵敏度三维纳米结构化学传感器。5) 制备栅长100纳米二维金属栅或透明栅的高灵敏度量子点场效应管光电传感器，提高器件的光电响应量子效率，实现对极微弱信号的高度敏感探测。6) 实现100纳米栅长的三维T型栅金属结构加工，制备出GaN基高电子迁移率晶体管的T型栅结构。7) 探索金属纳米结构阵列传感芯片低成本快速制作方法，通过金属纳米结构芯片表面功能基团修饰，实现传感功能。8) 通过本项目实施，培养和造就一支在纳米加工技术和器件研究领域具有国际影响力的科学研究队伍和研究基地，在相关领域跻身于国际先进行列，在发展中起到引领作用。9） 发表高质量学术论文80-100篇，申请10-20项发明专利，组织1-2次高水平的国际学术会议，依托本项目培养50余名博士研究生。三、研究方案4.1 学术思路本项目以光与物质相互作用的多种物理效应为出发点，采用非传统方法突破光学衍射极限限制实现光子束纳米加工，运用理论计算、物理建模、实验技术体系建立、实验验证等方法从理论与实验两方面入手，通过对光与物质在纳米尺度下的光物理、光化学相互作用原理与过程的深入研究，阐明光子束超衍射纳米加工的基本规律，建立光子束超衍射纳米加工理论，实现纳米尺度加工分辨率与加工精度。建立相应的技术平台，确立光子束超衍射纳米加工的关键核心技术体系。针对光子束超衍射纳米加工技术的应用，通过综合进行器件设计、器件制备原理、材料功能化、结构功能化、精密制备技术、器件结构表征与性能评价等方面的研究，建立材料、结构与器件性能之间的关系，制备功能性纳米器件、高灵敏度传感器，并探索其应用途径。总之，本项目以发展纳米加工新原理为出发点，在新型纳米加工方法与关键技术研究的基础上，研制关键设备、建立技术平台，在功能材料上实现二维、三维纳米结构，通过与现有纳米加工技术的汇聚，实现纳米器件制备，探索其应用途径，从而形成新型纳米加工技术及其应用的完整价值链。4.2 技术途径4.2.1 光子束超衍射纳米加工原理的基础研究4.2.1.1 无掩模激光直写纳米加工技术的物理、化学机理研究4.2.1.1.1 加工过程中的物理机制： 研究金属及其合金、半导体相变材料等不同特性的材料与光子束相互作用的特点，采用飞秒泵浦探测技术研究超短时间内发生的光热过程机理，研究光能量的热转化过程、光能量密度阈值的作用以及对受体材料选择的影响和限制，搞清光束波形对加工结构边缘的作用，发展可行的光束调制方法；针对光刻胶和可见光的相互作用，通过掺杂等手段，调制光刻胶的光吸收波段，特别是需要调整光波波形以期达到边缘的整齐。通过引入自局域的概念探索改性光刻胶，以达到缩小光刻尺度的目的。研究高数值孔径系统与光刻胶的匹配问题。4.2.1.1.2加工过程中的材料机制：深入研究受体材料的热扩散、光热转换效率、自局域非线性特征、合适的转化能量阈值、稳定性、经济性等问题，为从科学原理上进行合理的解释提供坚实的基础。深入研究和讨论受体材料的膜层结构设计对光束自局域的非线性作用，阐明非线性自局域效应的机理与作用与受体材料及膜层设计之间的关系。4.2.1.2 多光子纳米加工中的物理、化学机理与理论体系4.2.1.2.1多光子纳米加工的光物理过程：针对光聚合体系，深入研究多光子过程中激光参数（能量、偏振、脉宽、重复频率等）对多光子激发过程的影响，澄清除多光子吸收以外的光物理过程对光聚合体系加工的作用和影响。针对金属离子溶液体系，研究由多光子过程诱导的热效应、电离、等离子及自由电子的产生等物理过程对金属离子还原的影响，深入研究相关机理，分析激光参数对金属纳米结构的影响，为实现具有良好导电性能的金属纳米结构制备提供理论依据。4.2.1.2.2多光子纳米加工的光化学过程：针对光聚合体系，研究多光子吸收诱导的自由基聚合与阳离子聚合过程中光聚合引发剂多光子吸收截面、引发聚合反应的量子效率特性、引发剂浓度、聚合单体种类、聚合单体配比等对纳米尺度光聚合反应及其结构的影响，建立纳米尺度光聚合反应的理论模型与加工结构尺寸、形貌的相关理论模型。针对金属离子溶液体系，深入研究微胶束对光化学还原与控制的机理，为实现纳米尺度的金属结构制备提供科学基础。4.2.1.3 光子束超衍射纳米加工的极限分辨率与加工精度对上述光物理与光化学过程研究进行综合分析，建立光子束超衍射纳米加工的理论体系。在澄清上述机理的基础上，通过深入的实验研究，挑战多光子纳米加工分辨率极限，利用激光直写技术实现50纳米及以下的加工分辨率。深入研究光子束超衍射纳米加工中所涉及的反应类型、材料结构与特性、加工条件与加工方法、加工中的近邻效应、后处理方法及条件对加工物结构的长径比、最小线间距、表面粗糙度等结构参数的影响，利用SEM、AFM、STM、共聚焦显微镜等手段对所加工的纳米结构参数进行测量，建立加工条件与结构参数之间的关系，明确加工精度控制机制与参数，实现纳米尺度加工精度控制。4.2.2. 光子束超衍射纳米加工的工艺创新、关键技术基础研究与平台研制4.2.2.1光子束超衍射纳米加工高保真制备工艺利用3DMAX 制图软件及VB 编程工具等手段进行加工结构模型的设计、采用亚毫秒级曝光时间控制技术和皮焦级曝光能量控制技术，实现曝光时间及曝光能量的精确控制。利用逐点连线和逐段扫描两种运动方式实现扫描速度的精确控制。深入研究加工方法、加工条件、材料特性、后处理过程对加工结构保真度的影响机理与尺度，明确设计与加工结果之间的关系，建立包括结构设计与修正参数在内的结构高保真加工制备体系，为器件精密制备提供高保真制备的结构设计与加工技术及方法。4.2.2.2光子束超衍射纳米加工的平行加工技术利用微透镜阵列和衍射分束元件将激光进行分束，研究其能量分布、光束配置设计与控制方法，研制易于控制、具有组合与集成特征的平行加工系统，建立具有大规模、快速、可组合集成等特征的多光子纳米加工技术体系，为解决微纳器件制备、微尺度元器件进行系统组装时所存在的难题提供切实可行的解决方案。4.2.2.3 基于激光直写技术的纳米光刻技术平台研制具有刻制方便、快捷、无需真空等苛刻条件、价格便宜等特点，特别适合于在实验室水平进行多样化原型纳米器件制备，可在半导体、金属和绝缘体上自动刻制任意图形纳米结构，既可用于掩模制备又可用于无掩模光刻的系统。采用405纳米波长的半导体激光器、100mm100mm纳米级步长移动台、全自动的光电控制系统、高精度实时聚焦系统、超快速光功率调整和稳定控制、实时CCD检测系统、扫描新技术、自适应光学软件开发、高数值孔径长工作距离物镜等诸元实现高精度、大面积、快速的光刻平台，并通过模块化设计实现易拆装组合和小型化的目标。4.2.2.4 多光子三维纳米加工技术平台 采用钛宝石飞秒激光器及其倍频波长激光作为光源，采用计算机控制的光学扫描系统与高精度压电纳米移动平台、快速光功率调制系统、实时CCD监测系统、高精度光学聚焦系统、高数值孔径物镜等设计并研制出可进行高精度、快速、并行、重复加工的技术平台。研制系统的控制软件、结构设计软件等，针对聚合物、金属、半导体等具有不同特性的功能材料，建立相应的二维、三维复杂纳米结构加工条件参数与工艺数据库。4.2.3. 功能材料纳米结构制备工艺创新与特性的相关基础研究4.2.3.1 功能材料二维、三维纳米结构加工工艺原理、方法与特性的基础研究按照材料和纳米结构的特点，采取不同的加工原理与方法。针对聚合物系统，以三维纳米结构及其光子学特性为重点，进行微尺度发光器件的结构设计优化与性能评价。针对金属纳米结构激光纳米加工,采用激光多光子光化学还原反应制备金属纳米结构，研究材料组成、激光参数等因素对所加工的结构尺寸、精度的影响及机理，实现线宽为100纳米以下的金属纳米线多光子制备，研究三维金属纳米结构的激光加工方法，尝试制备金属纳米复杂结构。针对半导体材料，以化合物半导体材料为对象，研究半导体前驱物的二维及三维纳米结构加工及后处理工艺，研究加工参数对半导体特性及纳米结构的影响。4.2.3.2 多光子三维纳米加工用材料功能化原理与方法的基础研究 通过功能性分子设计与合成、纳米复合材料设计与合成、材料表面修饰与改性、激光材料内部改性等方法与手段，研究用于器件与系统的相关材料功能化与高性能化的原理，解决在多光子加工中的纳米尺度相容性问题，为实现微尺度发光器件提供材料功能化基础。根据器件功能要求，重点实现光、电功能。以金属纳米结构加工为主，实现金属纳米线结构的电学特性；以CdSe、CdS等量子点为主发光材料，实现高效发光结构。4.2.3.3 二维、三维纳米结构的表面功能化原理与方法的基础研究以加工的二维、三维纳米结构为模版，研究利用具有光电功能、环境响应功能的反应性功能分子对三维纳米结构进行表面修饰，赋予三维纳米结构发光、传感等特定功能。利用已合成的功能纳米材料对所加工的二维、三维纳米结构通过表面吸附等方式进行表面修饰，以及在二维、三维纳米结构表面原位生长纳米材料等手段，实现其表面纳米复合结构。利用聚合物三维结构的表面金属化，制备微纳线圈等金属化功能器件，实现微米、亚微米尺度的可工作微机械。4.2.3.4 纳米掩模结构加工原理、方法与应用的基础研究通过选用具有多种相结构共存态金属材料，结合抑制热扩散的膜层设计，在所研制的光刻设备上获得连续、阶跃和复杂图形的灰度掩模。为此，拟针对不同材料研制不同的镀膜工艺获得高平整度的掩模介质；通过材料特性分析，阐明连续灰阶的存在机理；通过材料变化阈值和高斯光束的匹配，研究光与材料相互作用的本质；通过超快激光脉冲和物质的相互作用，明确材料的超快响应特征；通过改变材料特性及增加膜厚，以提高掩模的灰度值的差，并研究高对比度、大深差的微纳结构制备工艺。通过上述研究探索，为纳米掩模的光刻应用奠定基础，并探索其在微纳光学阵列、楔形波导等器件制备中的应用。4.2.4. 纳米器件制备工艺创新与应用探索4.2.4.1 T型栅结构GaN基高电子迁移率晶体管的制备技术 针对宽禁带半导体材料GaN具有禁带宽带大、耐高压、耐高温、电子饱和速度高、击穿场强大等特点，研究在AlGaN/GaN异质结界面处的自发极化与压电极化效应与感生界面电荷密度和电子迁移率的关系，探索材料质量、结构对器件性能的影响。研究GaN基高电子迁移率晶体管的工艺，设计新型的器件结构材料，优化器件工艺，在纳米栅足的T型栅金属电极、钝化层制备、附加场板结构、欧姆接触等工艺上实现技术突破，提高器件制备工艺的稳定性和可靠性。研究并利用无掩模纳米光刻技术，制作Ni（Pt）/Au肖特基T型栅三维结构及其纳米栅足结构，以缩短电子的渡越时间，减小栅电容，研究T型栅小于100纳米的栅足结构尺寸与器件高频特性的关系。采用附加场板结构提高器件击穿电压，改善电流崩塌效应的不利影响，提高器件的功率密度和相关增益。研究欧姆接触对于GaN基HEMT器件的高功率增益、低膝点电压和高输出电流的影响，在n-AlGaN层上采用Ti/Al/Ni/Au多元金属层电极实现较低的欧姆接触，探索合金温度和时间对固相接触界面反应的影响和稳定工艺方法。4.2.4.2 金属微结构传感芯片的研究 采用多种数值分析方法研究金属微纳结构中表面等离子体和局域表面等离子体的光激发和调控、微结构结构参数对其相互转化、共振效应等的影响，与光模式的相互耦合、能量转移等，探索出结构参数与其实现功能的关系。考虑如光栅或孔径结构、二维金属孔径及柱状阵列等各种金属微纳结构，研究结构单元单体效应产生LSPs与结构单元阵列群体效应产生SPs的相互转化、耦合，以及对谱线特性的影响。数值模拟芯片传输及反射谱与环境折射率参数变化的关系，计算出当不同的传感目标与芯片表面结合时，谱线移动的情况，从而获得最强响应特性的结构排布，为微纳结构的制备提供理论依据和数据支持，实现高灵敏度微纳结构传感单元的定向设计方法。通过无掩模纳米光刻技术实现大面积百纳米级图形的光刻胶掩模，通过半导体工艺中的电子束蒸发及金属剥离工艺，制作周期性排布的金属微结构阵列。深入研究多光子激发过程，曝光图形尺寸及形貌控制方法，优化各项工艺参数，研究多光子纳米加工技术快速制作大面积百纳米级图形的均匀性及可靠性问题，制作出光谱响应性能优异的基于表面等离子体共振机制金属微纳结构传感单元。4.2.4.3 高灵敏度量子点光电传感器研究研究In(Ga)As量子点的特性如发光波长、密度等，GaAs/AlGaAs调制掺杂结构的掺杂浓度等是获得器件的材料基础；研究器件的制备工艺与结构设计的最佳优化，特别是利用无掩模光刻技术后引起的结构变化等。现有研究表明，随着器件的有效光吸收面积减小，器件的灵敏度会有显著提高，特别是当面积小于1m2 后，这种变化更加明显。但当前研究的最小面积在1m2左右，且都是通过电子束光刻技术实现，我们将利用无掩模纳米光刻技术开展这一研究，争取实现栅长小于100nm，有效光吸收面积小于0.5m2。利用无掩模光刻技术制备超薄肖特基栅，并研究包括Au、NiAu、Pt，Cr等种类的金属栅及ITO（氧化铟锡）透明栅对器件性能的影响。研究量子点调制掺杂场效应结构的光电特性，特别是对微弱信号的响应特性，并研究其在不同光激励条件下展现出的独特器件性质。通过研究厚有源区吸收层，光学限制层，或透明栅电极等方法对器件量子效率的影响，提高器件光电响应量子效率。4.2.4.4 高灵敏度三维微纳传感器设计原理与应用探索针对不同检测目标和环境，用特定金属纳米粒子对三维纳米结构进行表面修饰，研究修饰物分子与三维纳米结构的相互作用，以及表面修饰对三维纳米结构化学和物理性质的影响。通过三维纳米结构的多功能修饰或不同修饰的三维纳米结构组成阵列，针对Hg2+、Cd2+、苯、甲醛、NO2等需要重点关注的化学物种和DNA、葡萄糖、谷胱甘肽等典型生物种，形成多目标同时检测，构筑基于三维纳米结构的高灵敏度、高选择性光响应新型化学传感器芯片，研究其结构与灵敏度及选择性的关系，研究不同结构传感器的检测极限及线性响应范围和非线性修正方法。利用三维金属纳米结构作为电极，通过研究其比表面大小、表面敏感分子修饰方法，实现高灵敏度电化学手性传感器。借助结构表征手段，包括SEM、TEM等分析三维纳米结构的尺寸、分布等；通过研究其光响应，包括拉曼增强响应、荧光响应等与被检测物种类和浓度的依赖关系，确定其灵敏性和选择性的范围以及抗干扰特性。4.3 创新点与特色(1)充分运用光与物质相互作用的相关物理效应，通过理论与实验的紧密结合，建立采用光子束作为加工工具的超衍射纳米加工理论与技术体系，突破传统理论，在无掩模的条件下，实现超越衍射极限限制的纳米尺度加工是本项目最为重要的创新点，也是本项目之特色所在。(2)通过控制光与物质在三维空间特定有限区域的相互作用，实现纳米尺度超衍射三维结构加工是本项目最为独特之处，可以制备出利用其他加工技术所无法实现的、可设计的任意复杂三维结构，通过与相关技术相结合，将为研究纳米尺度下的三维效应、开发新型三维纳米器件提供强有力的工具与技术平台，并将为实现三维器件集成提供新的途径。因此，三维纳米结构加工与器件制备是本项目重要的创新点和特色。(3)通过光子束加工原理的突破，研制具有自主知识产权的无掩模光子束超衍射纳米加工设备，建立高精度、大面积、可重复、低成本的纳米加工技术平台，在功能材料上实现二维、三维纳米结构，探索基于功能材料二维、三维纳米结构的新器件原理、加工制备、性能与应用，从而形成一个从科学原理突破、加工方法创新、设备技术开发到器件应用技术探索的完整价值链，充分体现了本项目多学科交叉的最大特色与创新。4.4 可行性分析本项目研究团队近年来一直在相关领域保持着国际先进的研究水平，并获得了部分国际领先水平的研究成果，起到了一定的引领相关领域发展的作用。本项目是我们多年来对相关国际前沿领域从事研究工作所获得的多学科知识、前沿技术与创新性学术思想进行总结、提炼的结果。研究团队在前期研究过程中已取得的与本项目相关的重要研究成果如下： u 在弱光非线性光学、超快光子学、非线性光传输和光调控以及复合结构材料体系中的光电功能调控等方面都有很强的研究实力，已取得了一些具有国际领先水平的创新性成果，为本项目的推进奠定了坚实的基础。u 在无掩模纳米光刻技术研究中，利用可见光源初步实现了超衍射极限的加工分辨率。在受体材料的选择、制备及与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纳米直刻装置，初步实现了灰度掩模的刻制。u 在不同加工方式多光子纳米加工研究中，已分别获得国际上所报道的最高加工分辨率（50纳米和15纳米），并通过理论分析与实验结合，初步明确了加工分辨率与加工参数之间的关系，为建立系统的多光子纳米加工技术奠定了坚实的基础。u 在多光子平行加工技术研究中，已成功开发出了具有组合、集成特征的快速制备技术，为微尺度机械部件的组装难题提供了有效的解决方案，为微机电系统的快速加工与集成制备打下了良好基础。u 在光子晶体的研究中，实现了周期连续可调的金刚石结构三维光子晶体的制备，其周期变化控制精度达到数十纳米，并成功制备出光子带隙可调的双带隙光子晶体，为以光子晶体为基础的新型器件提供了新的研究与应用思路。u 在多光子纳米加工材料光功能化方面，通过反应性发光分子掺杂制备微尺度谐振腔的研究已成功地观察到超低阈值激射现象，为实现基于三维纳米结构的无反射腔、无阈值微尺度激光器件提供了途经，并为进一步实现有源、无源器件并存的微尺度集成光学系统的研究打下了良好基础。u 在纳米复合材料三维微纳结构加工制备方面，实现了多光子三维纳米结构加工技术与半导体纳米复合材料可控制备方法的结合，已获得多种不同发光特性的三维微纳结构。该成果在Advanced Materials杂志网络版发表后，被Nature杂志在Research Highlight栏目加以报道，认为为纳米材料在微尺度发光器件中的应用提供了新的途径。u 在量子点及其器件研究方面，已成功制备出近红外波段激射的In(Ga)As自组织量子点激光器；在量子点调制掺杂结构方面，也有初步的探索，为无掩模技术制备量子点场效应管奠定了良好的材料和工艺基础。u 利用拉曼增强探测被检测物时，选择具有拉曼增强效应的Ag、Cu等金属为修饰物，已经实现了纳米结构对R6G低至10-17M的浓度检测。总之，研究团队在光子束超衍射纳米加工技术及其相关领域已经进行的研究工作，使我们已拥有了对相关科学问题深刻的理解认识、形成了具有创新性的学术思想、积累了丰富的研究经验、具备了在本领域实现重大突破的坚实基础与能力。因此，在本项目研究期间，我们完全可能在光子束纳米加工关键技术与应用基础研究方面取得重大突破，获得国际领先水平的研究成果。4.5 课题设置开展光子束纳米加工与器件制备及其应用基础研究，首先是对光子束纳米加工机理及加工中所存在的关键科学问题进行研究，使利用光子束实现纳米尺度加工成为可能。在此基础上，针对关键技术问题，进行具有潜在应用前景的纳米材料及纳米结构器件制备原理研究，通过加工制备技术与纳米结构设计相结合实现纳米器件构筑，并对器件特性进行评价，建立纳米材料、纳米结构、纳米器件与性能之间的关系，掌握高性能器件构筑规律，进一步发展纳米结构及纳米器件在信息、生物等方面的应用。在研究方法上，通过理论与实验的紧密结合，揭示光与物质之间在纳米尺度下相互作用的规律，掌握纳米结构与纳米器件的基本特性。本项目以发展两种光子束纳米加工原理与关键技术为核心，在此基础上，通过对典型纳米结构加工、典型微纳米器件制备原理与构筑的研究，展示光子束纳米加工技术的优势与应用前景。为此，本项目设置以下4个研究课题：课题一：光子束超衍射纳米加工基本原理基础研究课题二：无掩模纳米光刻机理、关键技术、工艺创新与应用基础研究课题三：多光子纳米加工机理、关键技术、工艺创新与应用基础研究课题四：纳米器件制备工艺创新与应用基础研究课题一光子束超衍射纳米加工基本原理基础研究研究内容：1. 研究激光参数针对不同材料产生多光子吸收与光热局域等物理效应的机制。2. 研究微纳尺度下光聚合引发剂的自由基产生机理与扩散过程，单体的布朗运动与光聚合过程之间的时间特性与关系等，建立微区下光聚合过程的化学动力学模型。3. 研究无掩模纳米光刻中材料的光诱导瞬态自聚焦和自陷效应、瞬态等离子体形成、等离子体诱导材料改性、等离子体致材料微孔、自组织的周期性折射率变化及微孔的形成等瞬态非线性过程机理。4. 使用双光束同步散射测试等办法研究自由基和小分子扩散效应对加工分辨率的影响。研究目标：1. 解决弱光信号测量的信噪比问题，针对不同微区光化学与光物理过程的需求，建立微区飞秒、皮秒或纳秒时间分辨荧光光谱、吸收光谱和显微拉曼测量系统。2. 建立微区下多光子光聚合过程的化学动力学模型，为设计合成有利于获得纳米加工分辨率与纳米加工精度的聚合物体系提供指导。3. 澄清无掩模纳米光刻中多种非线性效应的物理机制，如光诱导瞬态自聚焦和自陷效应、瞬态等离子体形成、自组织的周期性折射率变化等瞬态非线性过程机理。承担单位：南开大学、国家纳米科学中心建议课题负责人：张心正教授 主要参加人员：李乙钢教授，Romano A. Rupp教授，郭儒教授，陆文强副教授，郑建亚高级实验师，王奇助理研究员，王振华讲师，唐莉勤讲师经费比例：19%课题二无掩模纳米光刻机理、关键技术、工艺创新与应用基础研究研究内容：1. 进行无掩模纳米光刻用材料设计，选择合适的金属、半导体相变材料、改性光刻胶，进行膜层设计优化，研究受体材料的阈值效应、光热和光吸收效率、热扩散效应抑制、超快响应速度等对加工分辨率的影响，实现激光无掩模超衍射纳米加工。2. 通过改造研制可进行高精度、可重复、快速刻制、大尺度加工的激光无掩模纳米光刻关键设备，建立相应的纳米加工技术平台。3. 研究超衍射光学加工的原理，阐明微区等离子增强效应、近场效应、非线性自局域效应、阈值效应等对超衍射纳米光刻效果的影响和贡献。l 依据无掩模光刻技术和灰度掩模技术，研究探索制备不同形状的结构器件的相应技术。研究目标：1. 制备出面向连续、阶跃等灰度掩模，探索获得具有不同深度、不同形状、不同用途的器件加工技术，如光学阵列的制备技术，以及微流控和传感器制备技术。2. 提供一种采用光热相变材料替代光刻胶的新型受体材料的新方法，获得一种特别适用于研究探索原形纳米器件的便捷、便宜、无苛刻实验条件限制的掩模制备技术。3. 建立高分辨率激光加工系统平台，实现大面积（100mm100mm）、可重复的直接刻写，用可见光实现100纳米以下的加工分辨率。承担单位：中国科学院理化技术研究所、国家纳米科学中心建议课题负责人: 赵震声研究员主要参加人员：贺军辉研究员，熊玉峰副研究员，全保刚高级工程师，郭延军高级工程师，郭圣明助理研究员，穆璇丽助理研究员，李晓军工程师，王荷蕾工程师经费比例：23 %课题三多光子纳米加工机理、关键技术、工艺创新与应用基础研究研究内容：1. 研究多光子聚合反应纳米尺度控制的物理、化学机制，设计合成高效多光子引发剂，研究光聚合引发剂浓度、阈值效应、自由基淬灭剂、预聚物组分、加工温度对加工分辨率的影响，挑战多光子加工极限分辨率。2. 研究金属纳米粒子的多光子光还原反应机理与纳米尺度控制机制；研究多光子光化学还原中表面活性剂对金属纳米粒子尺度的影响；研究激光参数对金属纳米结构尺寸、精度的影响；研究进行三维金属纳米结构的加工方法，制备三维金属纳米复杂结构。3. 研究利用衍射分光与微透镜阵列分光技术，实现密排大数目器件单元的并行加工分光，发展并行加工技术。4. 研究微纳复合结构体系的设计与制备，如三维光子晶体等微纳人工材料或功能微纳器件，研究三维微纳复合结构体系中的带隙效应、光波传播局域效应、局域增强效应、时空色散效应，进行功能测试和相关性能表征。5. 研究材料功能化方法与纳米结构表面功能化方法，研究激光染料掺杂和半导体量子点掺杂，制备可用于光子束纳米加工的发光功能材料，研究基于光子晶体的微尺度发光器件等原理性器件，对其特性进行评价。6. 研究高灵敏度光化学与电化学传感器的设计原理、制备方法，针对不同检测对象，设计相应材料、制备三维纳米结构、进行表面修饰，对传感特性进行评价。研究目标：1. 掌握多光子纳米加工的物理、化学机制，澄清决定加工分辨率与加工精度的关键因素，挑战光子束纳米加工极限，实现10纳米加工线宽。2. 掌握多光束平行加工技术，建立具有高精度、可重复、快速、三维复杂纳米结构加工的多光子纳米加工技术平台。3. 掌握实现三维纳米结构的结构功能化、材料功能化与表面功能化的原理与方法，展示基于上述原理制备的多功能三维光子晶体器件，实现阈值功率在纳焦量级的无反射镜微尺度激光器件。4. 掌握三维纳米结构在实现高灵敏度传感中的基本规律与设计原理，实现高灵敏度光化学与电化学传感器，达到10-17M以上的检测浓度。承担单位：中国科学院理化技术研究所、中国科学院半导体所课题负责人：段宣明研究员 主要参加人员：陈懿研究员，潘革波研究员，蒋春萍研究员，陈卫强副研究员，王晓东副研究员，陈茜副研究员，李云阁高级工程师，金峰助理研究员，董贤子助理研究员，阚强助理研究员经费比例：30%课题4 纳米器件制备工艺创新与应用基础研究研究内容1. 研究利用光子束超衍射纳米加工技术制备三维T 形栅结构的工艺，实现100nm栅长的T 形栅电极结构；探索与GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）器件的整体工艺流程的兼容性问题，开发新工艺方法，优化器件工艺，在T型栅电极、钝化层制备、欧姆接触等工艺上实现技术突破，提高器件制备工艺的稳定性和可靠性，实现HEMT器件的工作频率大于5GHz；研究器件的电学特性与T 型栅的栅长和结构稳定性的关系。2. 研究利用光子束超衍射纳米加工技术制备金属纳米阵列结构，探索新型纳米加工技术与半导体工艺兼容的技术途径，研究微纳加工过程的可靠性、均匀性及工艺稳定性、可重复性；制作多种微结构形状的金属纳米阵列传感芯片，研究金属纳米结构制备过程中的尺度效应及界面效应，优化工艺流程，探索在同一芯片上实现多个传感单元的低成本快速制造方法；采用易于进行生物敏感层修饰的金属作为纳米阵列结构的基础材料，研究敏感材料与载体相互作用机理及特异性识别，分析加工制备工艺对微观结构中界面处敏感材料在载体表面固定化过程的影响。3. 研究利用光子束超衍射纳米加工技术制备高灵敏度In(Ga)As 量子点场效应管光电传感器；研究其在受光面积小于1m2 器件工艺中的应用及工艺兼容性；探索利用上述技术制备超薄肖特基栅，并研究不同种类的金属栅对器件性能的影响；探索其在制备ITO等透明栅中的技术途径，并研究ITO 等透明栅与光学增透膜的光学复合膜对器件性能的影响；通过以上研究实现量子点光电传感器性能，并不断提高器件光探测性能，实现100nm栅长。研究目标：1. 实现光子束超衍射纳米加工技术与半导体工艺的兼容，研究微纳加工过程的可靠性、均匀性及工艺稳定性，提供兼容工艺的技术途径。 2. 结合光子束超衍射纳米加工技术与半导体工艺，制备出100 纳米栅长的三维T型栅GaN基HEMT器件，器件工作频率大于5GHz。3. 结合光子束超衍射纳米加工技术与半导体工艺，制备出特征尺寸200 纳米的大面积周期性金属微阵列传感单元结构，探索金属微结构阵列传感芯片低成本快速制作方法，其检测灵敏度优于200nm/RIU。4. 结合光子束超衍射纳米加工技术与半导体工艺，通过出制作栅长100 纳米的高灵敏度In(Ga)As量子点场效应管光电传感器，实现器件的光探测功能。承担单位：中国科学院半导体研究所、南开大学课题负责人：于芳研究员 主要参加人员：刘忠立研究员，韩伟华研究员，刘思敏教授，王春霞副研究员,王晓峰副研究员，宁瑾副研究员，赵永梅助理研究员，黄亚军助理研究员，潘岭峰助理研究员，归强实验师经费比例： 24 %4.6 课题间的有机联系与项目预期目标的关系本项目所设置的四个研究课题之间的关系如图所示。以上课题，既有各自的研究重点，同时课题间相互交叉、融合，互为支撑，从而形成一个光子束纳米加工原理、关键技术与器件设计、制备及性能研究的完整体系。课题1以光子束超衍射纳米加工中所涉及的光与物质相互作用机理为研究重点，通过尺度效应的理论与实验研究，为课题2及课题3提供科学基础。课题2与课题3以发展两种光子束超衍射纳米加工技术为核心，通过对加工材料、方法、参数与条件的深入研究，掌握核心技术，研制关键设备，在此基础上建立技术平台，开展功能材料二维、三维纳米结构加工与器件制备技术研究，为课题4器件制备与研究提供基础。课题4以光子束超衍射纳米加工与半导体加工的汇聚技术为突破口，研究半导体、金属、量子点等功能材料的二维、三维纳米器件的设计、制备工艺与应用，是课题2与课题3的应用研究。四、年度计划年度研究内容预期目标第一年度1、 改造瞬态分析系统，搭建激光波前整形系统。2、 对现有无掩模纳米光刻设备进行升级改造。3、 开展无掩模纳米光刻受体原片的研究，进行受体材料的膜层结构设计，对光刻受体材料进行优化。4、 设计合成高效多光子引发剂，对其特性进行评价；研究光聚合体系中激光光场分布、束腰尺寸、峰值功率、偏振等空间参数对多光子激发过程的影响。5、 研究利用多光子光还原反应制备金属纳米结构的基本条件。6、 研究三维微纳复合结构体系的设计与制备以及其光子带隙效应。7、 研究激光染料掺杂和半导体量子点掺杂的方法，制备可用于光子束纳米加工的发光功能材料。8、 进行T形栅三维结构设计，研究三维T形栅的新型无掩模纳米光刻工艺，优化其形状和结构稳定性。9、 研究新型无掩模纳米光刻技术结合半导体纳米技术制作周期阵列金属微结构工艺。10、 进行量子点场效应晶体管结构设计与材料生长以及材料的光学与电学特性表征与测量；研究无掩模光刻技术与量子点场效应晶体管的工艺兼容性。1. 完成瞬态分析系统的改造和激光波前整形系统的搭建。2. 完成无掩模光刻机的设计以及高数值孔径透镜的选择，实现准确聚焦和动态光功率控制，实现开关与扫描的同步控制。3. 利用瞬态分析系统完成不同材料瞬态吸收、材料能级结构及光聚合过程的测量，初步澄清多光子吸收和其它光物理过程对光聚合体系加工的作用和影响。4. 获得合适的无掩模纳米光刻用受体材料薄膜原片，获得百纳米级特征尺寸的周期金属结构无掩模纳米光刻工艺条件。5. 初步澄清多光子光化学还原制备金属纳米结构的主要影响因素。6. 制备出周期非连续变化的三维光子晶体结构，对其特性进行初步评价。7. 制备出高含量激光染料掺杂的发光功能材料。8. 建立制作纳米三维T型栅的设计与制作间的工艺关系，获得对三维T型栅的工艺控制参数。9. 获得具有一定光学与电学性能的量子点调制掺杂结构，获得无掩模光刻技术与量子点场效应晶体管的工艺兼容性数据。10. 完成高质量论文10-15篇，申请专利3-6项。年度研究内容预期目标第二年度1. 改造二维超快探测系统，搭建脉冲整形系统，并完善瞬态分析系统。2. 进行高精度、大面积无掩模纳米光刻系统研制。3. 进行无掩模纳米光刻受体材料研制。4. 研究多光子光聚合过程中聚合反应纳米尺度控制的物理化学机制及控制条件。5. 研究金属纳米粒子