实验室里往来穿梭的人，穿着密密实实的连体服，戴着口罩、头套、手套，除了眼睛曝露在外，连一丝头发都不能飘散在空中……

这是位于云栖校区2号楼一楼的纳米光子学与仪器技术实验室，西湖大学最干净的地方之一——实验室采用正压设计，每一间都是“超净室”，不仅人不能随意进出，而且即使打开门，也要确保空气只能从实验室内部向外流动。

纳米光子学与仪器技术实验室是做什么的？顾名思义，他们主要是在微米、纳米尺度上，探索光与物质的相互作用，研发新型光电子器件及其制造工艺。其中，有一项叫“冰刻”的技术，是他们的重点研究方向之一。

相信大家小时候都看过美轮美奂的冰雕展，如果这样的冰雕是发生在仅有头发丝八分之一粗细的光纤末端，并且一次不止雕刻一件作品，而是百件以上呢？

近两个月来，实验室负责人仇旻和他的研究团队在Nano Letters、Nanoscale、Applied Surface Science等期刊上，连续发表了一系列研究成果——在小到微米甚至纳米级别的“冰雕”上，他们已然游刃有余——从精确定位到精准控制雕刻力度，再到以“冰雕”为模具制作结构、加工器件，一套以“wafer in, device out”为目标的“冰刻2.0”三维微纳加工系统雏形初现。

本期Lab Show，我们一起换装，去看看神奇的“冰刻”。

什么是“冰刻”

如何用巧克力粉在奶油蛋糕表面洒出“生日快乐”四个字？你需要一片模具，模具上有镂空的“生日快乐”字样。巧克力粉透过模具洒落到蛋糕上，“生日快乐”四个字就出现了。

类似的原理，也应用在传统的电子束光刻技术中（微纳加工的核心技术之一）。

传统电子束光刻技术的关键步骤

假设我们要在硅晶片上加工四个纳米尺度的金属字“西湖大学”，首先，我们需要将一种叫“光刻胶”的材料均匀地涂抹在晶片表面；用电子束（相当于肉眼看不见的“雕刻刀”）在真空环境中将“西湖大学”四个字写在光刻胶上，对应位置的光刻胶性质会发生变化；再用化学试剂洗去改性部分的胶，一片“镂空”的光刻胶模具就做好了；接下来便是将金属“填”进镂空位置，使之“长”在晶片表面；最后再用化学试剂将所有光刻胶清洗干净，去除废料后只留下金属字。

可见，光刻胶是微纳加工过程中非常关键的材料。所以有人说，中国要制造芯片，光有光刻机还不够，还得打破国外对“光刻胶”的垄断。

但这样的“光刻胶”有局限性。

“在样品上涂抹光刻胶，这是传统光刻加工的第一步。这个动作有点像摊鸡蛋饼，如果铁板不平整，饼就摊不好。同时，被抹胶的地方，面积不能太小，否则胶不容易摊开摊匀；材质不能过脆，否则容易破裂。”仇旻实验室助理研究员赵鼎说。

那么，把光刻胶变成水冰呢？

《孙子兵法》中说：“兵无常势，水无常形。”零下140度左右的真空环境，能让水蒸气凝华成无定形冰。

“我们把样品放入真空设备后，先给样品降温再注入水蒸气，水蒸气就会在样品上凝华成薄薄的冰层。”赵鼎说，光刻胶之所短恰恰是水之所长。“无常形”的水蒸气可以包裹任意形状的表面，哪怕是极小的样品也没有问题；水蒸气的轻若无物，也使得在脆弱材料上加工变成可能。对应“光刻胶”，他们给这层水冰起名“冰胶”，给冰胶参与的电子束光刻技术起名“冰刻”。

实际上，一旦将光刻胶换成了冰胶，由于水的特殊性质，还能够极大地简化加工流程。

“当电子束打在冰层上，被打到的冰‘自行消失’，因为电子束将水分解气化，这样就能直接雕刻出冰模板，不需要像传统光刻那样用化学试剂清洗一遍来形成模具，从而规避了洗胶带来的污染，以及难以洗净的光刻胶残留导致良品率低等问题”，赵鼎解释说。

同样道理，“光刻”的最后一步，需要再次用化学试剂洗胶，而“冰刻”只需要让冰融化或升华成水蒸气即可，仿佛这层冰胶从来不曾存在过一样。

应用冰胶的电子束光刻关键步骤

冰刻2.0：从原材料到成品一气呵成

2012年，仇旻从瑞典皇家工学院回国任教后不久，就开启了“冰刻”研究计划。经过六年的努力，他和他的团队将“冰刻”从纸上谈兵变成现实，完成了国内首台“冰刻”系统的研发。来到西湖大学后，仇旻在国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目（自由申请类）的支持下，全力研发功能更加强大的“冰刻系统2.0”。他们希望改变传统电子束光刻繁琐的加工程序，创造出一套全流程一体化、自动化的微纳加工系统——从冰胶形成开始，到模具加工、材料生长、器件性能表征，一气呵成。

冰刻系统2.0已在实验中雏形初现，中间圆型的“中转舱”是实现一站式的关键，样品每完成一个步骤，都将被送回到这里，再由机械臂将其送入下个步骤的“操作间”

研究团队已经从多个维度入手，不断提升“冰刻”技术。

例如，团队成员掌握了如何“精准定位”。想要有效“雕刻”冰胶，电子作用强度有一定要求，强度太弱冰胶不会消失。这让原本仅作为“刻刀”使用的电子束新增了“定位器”的功能。当加工多层式三维立体结构时，可以先用低强度的电子束（减少对冰层损坏）透过冰胶，观察并找到下层已经完成的结构；精确定位后再加大强度，正式开始“镂空”作业。这样一来，就不需要像使用光刻胶那样额外引入复杂昂贵的对准装置，能够轻易实现几十纳米的加工定位精度。

仇旻实验室2019级博士研究生吴珊，找到了控制“雕刻力度”的方法。她通过实验发现，冰胶去除厚度与电子作用强度呈线性关系。也就是说，“刻刀”在冰上凿刻时，下刀的力越大，刻出的槽就越深，并且下刀的力度和槽的深度能直接按比例推算。而使用光刻胶，电子与胶厚之间的关系要复杂得多，电子束“雕刻”时力道控制的精准性和灵活性就会受到约束。

在薄至300纳米的冰胶上刻画图案，图中最小的微型雪花直径仅1.4微米，所有比例尺长度均为1微米

仇旻实验室访问学生洪宇和其他团队成员，则发现不费“吹灰之力”就可以清除加工废料。他们利用冰刻技术不仅在光纤端面（光纤“头部”的横截面），而且在光纤曲面（光纤“身体”表面）上加工制作出各种精巧的微纳结构。尤其在最后清除废料环节，他们发现样品在真空中从低温升回室温后，多余的金属材料自然卷曲并与样品分离，可以被轻易地吹除。

图A所示的单模光纤端面上，加工同心圆结构及图BCD所示的结构，其中B图单个结构宽度200纳米，C图单个领结型结构中心间隔30纳米，D图单个圆环外径660纳米、宽度110纳米

从冰层沉积开始到吹除废料结束，加工全程不涉及化学溶剂

除此之外，利用冰在电子作用下与材料发生的独特反应，“我们可以将只有一个原子层厚度的二维材料‘冰刻’成任意形状，通过人工构造的方式使材料产生奇特的性质。”仇旻实验室2019级博士研究生姚光南目前正在开展这方面的研究。

“Wafer in, device out.”短短四个单词，形象地描绘出他们为冰刻2.0制定的远大目标——一进一出，送进去的是原材料，拿出来的是成品器件。

仇旻说，从本质上讲，“冰刻”仍属于电子束光刻。但它作为一种绿色且“温和”的加工手段，尤其适用于非平面衬底或者易损柔性材料，甚至生物材料。复旦大学物理系主任、超构材料与超构表面专家周磊教授表示，这项工作对于研发集成度更高、功能性更强的光电器件具有重要的现实意义。“‘冰刻’可以将光学前沿的超构表面与已经广泛应用的光纤有机结合，既给前者找到了合适的落地平台，又让后者焕发了新的生机。”他说。

痛并快乐着的寂寞舞者

这是一群寂寞的冰上舞者。仇旻团队已在“冰刻”这块试验田深耕了八年。

最初，他了解到哈佛大学的一支研究团队演示了面向生命科学领域的“冰刻”加工雏形，这给了他灵感，让他看到了这项技术在微纳加工领域的巨大潜力。

这是一个无人区。仇旻用梦想的力量，感召了他回国后招收的第一批博士研究生之一赵鼎，他们决定一起来挑战这个课题。“不做康庄大道上的跟随者，而是独辟蹊径闯出一条新路，我想这是多数科研工作者更愿意的选择。”赵鼎说。

仇旻和团队成员在调试冰刻系统2.0

“冰刻”原理简单明了，但是仪器的实现则异常艰辛。团队需要对原有的电子束光刻设备进行大量改造。赵鼎为之奋斗了五年。“很多工作都是从零开始，比如注入水蒸气，说起来很简单，实际上经过了一次次实验，温度要多低、注入口和样品的距离要多远、注入量和速率要多大……都得一一验证。”

赵鼎毕业之后，师弟洪宇接力，为冰刻系统的研发绘制了几十稿设计图纸。因为没有现成的可以购买，多数情况下必须自己动手，他恶补了很多真空技术和热学方面的知识。

而今，在国外完成两年博士后研究之后，赵鼎又回到仇旻实验室，继续这场“冰刻”长跑。

事实上，全世界做冰刻的实验室，目前满打满算只有两个，一个在中国，一个在丹麦。显然，这不是一个热门的研究方向，且研发周期很长，想在这个课题上很快发文章并获得高引用很难。

“但这是一项令人激动的新技术。”仇旻说，“这样的探索，有可能带来很大的突破，也有可能什么都没有，但这正是基础研究的意义和乐趣所在。”而当我们把视角放大到中国制造的背景下，在从制造业大国向制造业强国的转变中，对以微纳加工为代表的超精密加工的探索和创新，正是中国制造指向的未来。

仇旻团队部分成员合影

在仇旻团队最新发表的文章结尾，他们用一种非常科幻的方式展望了“冰刻”的未来。毫无疑问，未来围绕“冰刻”的研究，将聚焦于那些传统“光刻”能力无法企及的领域。受益于水这种物质得天独厚的生物相容性，在生物样本上“冰刻”光子波导或电子电路有望得以实现。而这将史无前例地提高人为干预生物样本的能力，同时开辟出全新的学科交叉和研究方向。

南美的蝴蝶扇动一下翅膀，引来大西洋的一场飓风。谁说没有这样的可能性呢？

附：文中提及的相关科研论文

（按发布时间为序）

Direct electron-beam patterning of monolayer MoS2 with ice

2020年10月12日在线发表于Nanoscale

文章链接：

https://doi.org/10.1039/D0NR05948J

Lithographic properties of amorphous solid water upon exposure to electrons

2020年10月26日在线发表于Applied Surface Science

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.148265

Solvent-Free Nanofabrication Based on Ice-Assisted Electron-Beam Lithography

2020年11月13日在线发表于Nano Letters

文章链接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03809