怎样在硬脆材料内制备30nm通道？调节“热点”

随着以光刻为代表的微纳加工技术的发展，具有不同尺寸、不同形状和不同物理化学特性的微纳结构在电子学与微电子学、生物医学、化学、材料工程及环境科学等领域得到了广泛应用。其中，直径小于100 nm的纳米通道制备方法在DNA拉伸，纳米流体控制以及人造细胞膜等领域得到了较为深入的研究。例如，纳米通道应用于DNA检测领域时，人们可以在直径为纳米尺度的通道中将单个DNA分子拉伸为由碱基对组成的长链，实现对碱基对的逐个检测，更加精确地研究进化和癌变等问题。

以石英、金刚石以及蓝宝石为代表的硬脆性材料具备有良好的物理及化学稳定性，以这些材料为基础制备的纳米通道将有可能应用于各种严苛的环境当中。然而，如何在硬脆材料内部获得直径在深亚波长（<1/10λ）尺度的纳米通道仍是一项极富挑战性的工作。双光子聚合增材制造工艺可以制备复杂的三维结构，但仅适于光敏聚合物材料，无法在硬脆性材料内部制备纳米通道。

西安交通大学陈烽教授团队多年来一直致力于飞秒激光直写硬脆性材料微纳加工技术的研究。飞秒激光具有极高的峰值功率，利用强烈的非线性效应对硬脆性材料进行高精度加工，能够制备出纳米孔、纳米线、纳米孔洞等特征尺寸在几十到上百纳米的结构。最近，陈烽教授研究团队成功在石英内部制备了最小直径为30 nm的纳米通道，其长径比甚至超过200：1。相关研究以“Nanochannels with 18 nm feature size and ultra-high aspect ratio on silica through surface assisting material ejection”为题发表在Advanced Photonics Nexus 2022年第2期。

研究人员将中心波长为515 nm的飞秒高斯光束整形为中心光斑具有极大深径比的贝塞尔光束，通过空间压缩投影系统将贝塞尔光束的空间尺度大大压缩，同时将其功率密度提升约6个数量级，并投影到靠近石英样品表面的位置。通过对贝塞尔投影位置以及激光脉冲能量的精确控制，实现了多种纳米通道制备的实验结果。

结合实验结果与数值仿真分析，研究人员发现了一种首次被观察到的“表面辅助材料喷蚀”物理效应，它在纳米通道的形成过程中扮演了至关重要的作用。

在飞秒贝塞尔脉冲与石英样品的相互作用过程当中，由于等离子体的屏蔽效应导致材料表面和内部同时出现了能量沉积效率上的“热点”区域。表面“热点”使表面的材料气化去除，为内部材料的膨胀和向外喷蚀提供了窗口。在表面之下则是两个热点之间的“冷区域”，对于内部材料的膨胀和喷蚀形成了显著的“瓶颈”效应。通过调节激光能量和贝塞尔光的位置，可以精确控制“表面窗口”与“喷蚀瓶颈”之间的关系，从而在优化的参数下获得直径30 nm左右的纳米通道结构。

这项工作展示出飞秒激光直写技术作为一种强有力的、灵活可控且经济有效的加工方法，可以成功应用在纳米通道的超精密制造。Advanced Photonics Nexus编委Paulina Segovia认为这项工作对于理解激光加工中的关键物理机制问题具有重要意义：“这项工作为激光物质相互作用的基础性研究提供了一种全新的视角，表明通过激光直写加工可以实现超越光学衍射极限尺度纳米通道的制备，也预示着激光加工未来将可以获得更小特征尺寸的纳米结构”。可以期待相关研究成果未来会在电子学、光学和生物医学等领域获得广泛而重要的应用。

陈烽，西安交通大学二级教授，博士生导师，陕西省信息光子技术重点实验室主任，教育部微纳制造与测试技术国际合作联合实验室副主任。1991年和1997年分别在四川大学和中国科学院获学士和博士学位。1999年任中国科学院瞬态光学技术国家重点实验室研究员和学科带头人，2002年起任西安交通大学教授、博士生导师。担任《光学学报》等期刊编委等。主要研究方向：飞秒激光微纳制造、激光仿生微纳制造、超快光子学和微纳光子学。先后提出了硬脆性材料飞秒激光三维微纳制造、飞秒激光湿法刻蚀微纳制造方法、飞秒激光仿生微纳制造、飞秒激光制造超浸润表面技术、飞秒超快压缩成像技术等。