物理所基于聚焦離子束技術構建三維納米結構研究獲進展

　　作為信息社會進步基礎的微電子器件與電路的發展歷程突出表現為小型化、高密度和多功能化的趨勢。當平面器件的發展遇到技術與理論上的瓶頸時，三維立體器件與電路成為必然的發展方向。三維器件與電路不僅體積小、集成度高, 更重要的是三維結構的引入使之具有更優越的性能、更新穎的效應，以及更廣泛的功能。因此，探索三維功能納米結構的成型機理與機制，實現三維功能納米結構與器件的可控加工，一直備受關注。

　　多年以來，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)微加工實驗室系統地開展了基于聚焦離子束技術的三維納米結構與器件的可控加工技術研究，并取得一系列的進展。2010年，他們與英國倫敦納米研究中心合作，采用聚焦離子束誘導的化學氣相沉積方法，定點加工最小的超導鎢三維探測線圈，首次制備了 3D-SQUID, 突破平面SQUID只能測量與之垂直的磁場的局限，為多方位磁信號測量器件的加工提供了新方法 【Appl. Phys. Lett. 97，222506(2010)】。為了進一步縮小所加工的三維結構的面積與特征尺寸，2011年，他們采用離子束輻照的方法，探索納米線彎曲形變的規律、機制與可控性，構筑了導電以及超導的自支撐納米間隙、納米接觸以及納米多枝結構;證實了這些結構可具有高達5.2K的超導臨界轉變溫度以及較好的機械性能與熱穩定性 【Appl. Phys. Lett. 100，143106 (2012);Appl. Phys. Lett. 102, 213112 (2013)】。然而，怎樣高效的獲得更大面積的三維納米功能結構，還是亟待解決的問題。

　　與塊材或微米尺度的材料相比，一維納米材料體系在熱處理過程中，物質擴散、顆粒生長以及再結晶過程的差異能更顯著的以形變的方式體現。因此，熱處理有望成為一維納米結構生長后三維形變調控研究的潛在手段。但怎樣在納米尺度上可控的引入組分、結構以及應力分布的變化，還具有很大的挑戰性。最近，物理所微加工實驗室的李無瑕副主任工程師和顧長志研究員及博士生崔阿娟等與物理所先進材料與結構分析實驗室的姚湲副研究員以及英國Salford大學的沈鐵漢教授等合作，在前期工作的基礎上，通過利用單一金屬有機物氣體注入系統，在有機氣態分子源受限的模式下，實現了自支撐鉑混合物納米線沿徑向的組分與微結構的非均勻、非對稱生長。納米線形變前后化學組分與高分辨顯微分析證實，與金屬有機物氣體注入系統的位置相對應，鉑混合物納米線兩側具有化學組分、微結構的非均勻性，并導致了納米線兩側產生不同程度的形變量。通過形變規律的探索與量化處理，進一步掌握形變的可控手段，獲得硅錐頂部的自支撐納米點接觸以及將ZnO雙層納米浴盆進行固定的微籠結構。顯示了該技術在三維納米電學、光學、磁學以及生物分子學等領域的應用前景。

　　該結果發表在8月13日出版的Scientific Reports上。

　　以上工作得到了中國科學院、國家自然科學基金委員會和科技部相關項目的資助。

圖1：納米線生長示意圖及其形變現象

圖2：形變與長度的關系及微觀形變模型

圖3：納米線熱處理形變在微納功能材料上形成自支撐點接觸

圖4：納米線熱處理形變構筑微籠結構，對ZnO雙層納米浴盆進行固定