英文原题：SurfingScanning Probe Nanolithography at Meters Per Second
通讯作者：Liang Pan，School of Mechanical Engineering, Purdue University (普渡大学机械工程学院)，Birck Nanotechnology Center (Birck 纳米中心)
作者：Bojing Yao (姚博竞)，Chen Chen (陈晨)，Zhidong Du（杜志东），Qian Qian（钱乾），Liang Pan（潘亮）
纳米直写技术被广泛应用于现代工业与前沿科学研究。其分辨率决定了逻辑处理器，数据存储体等纳米器件的性能与生产成本。相较于昂贵的，拥有复杂系统的光刻技术和电子束直写技术，扫描探针直写（SPL）技术作为一个不需要掩模版的加工方式，可以直接对样品表面进行多维度和多种材料的加工。它的分辨率可达到纳米甚至原子尺度。然而，SPL的应用却受限于其极低的扫描速度（厘米每秒以下）。传统SPL技术的扫描速度受限于多种物理机制，包括：纳米尺度上的物质和能量输送，反应机理，以及实现精密位置控制的扫描的平台。
图1. a, 冲浪的纳米探针直写（Surfing Scanning Probe Lithography， SSPL） 的结构示意图。探针的扫描头在硅片表面以10纳米的高度，10米每秒的速度飞行。b，SSPL的系统结构侧视图。液体中的分子被输送到金属探针下方时，发射的电子将液体分子激活从而实现固化沉积。
Purdue University（普渡大学）Prof. Liang Pan (潘亮教授) 指导的团队近期在Nano Letters 上发表了一项以扫描探针为基础的高速纳米直写技术，达到超过10米每秒的扫描速度，刻蚀频率超过20兆赫兹，分辨率达到15纳米。该新技术被命名为Surfing Scanning Probe Lithography (SSPL). SSPL 基于在硬盘技术中被广泛应用的空气轴承，首次提出了气液混合微流体动力学设计方案，并利用其实现了高速扫描。图1展示了SSPL 的基本构造。一个微米尺度宽的玻璃管中的液体被强电场极化，依靠静电喷雾效应，介电液体被喷射到高速运动的平面上。液体顺着平面流进了扫描头上的微流体结构。扫描头底部的流体动力学设计让其能在不需要主动控制的情况下以稳定的10纳米的高度和10米每秒的速度在硅片表面连续扫描。当液体到达金属探针的底部，场发射的电子将液体分子激活后固化沉积在硅片表面上。图2a 展示了扫描头下表面的SEM (扫描电子显微镜) 图像，它是一个多层次MEMS结构，不同的颜色代表不同层次的高度。附上的小图是在扫描头工作时的白光干涉图像，验证了其稳定的飞行高度。图2b 展示了流体力学模拟的结果：质量输送的流线。图2c 展示了静电喷雾的不同工作模式。
图2. a，SSPL中slider的下表面SEM图像，b，流体力学模拟结果，c，静电喷雾模式
研究人员提出了等效电路模型来解释实验观测到的工作电流。结果展示于图3.：该模型提出在液体和金属探针的交界面存在着电双层电荷结构，在极小的距离上有着较高的电压差，因而大大的提高了电子的场发射效率。而探针下方的液体区域由于存在大量激发的带电粒子的输运，可以等效为一个导体电阻。此模型通过数值模拟，给出了一个能与实验观测契合的模拟结果。
图3. 探针放电过程的电路模型与数值模拟：红线代表数值模拟的结果，黑色三角形为实验测量值。
研究人员分别展示了SSPL 的15纳米的超高分辨率, 以及高于传统扫描探针直写上千倍的吞吐量（图4）。这些加工出来的纳米结构大部分为1到2纳米厚的碳基链状物质，有良好的物理和化学稳定性。研究人员成功的对此结构进行了硅片的湿式刻蚀。结果表明沉积的纳米结构可以直接用于后续加工。
该研究提出了一个冲浪式扫描探针直写的技术，为未来纳米制造科技的研究提供了新思路。纳米直写技术在科技发展中具有重要意义。如今世界处于数据爆炸的信息时代，信息的处理器和载体要求高性能与低成本。未来的超级计算机，量子计算机，超大存储设备，新材料研究等都需要低成本高分辨率的加工技术。在人类已经全面步入纳米时代的同时，摩尔定律带来全新的挑战，探究纳米直写技术将确保我们能在这个蓝图上走得更远。
相关论文发表在Nano Letters上，Purdue University PhD Candidate：Bojing Yao（姚博竞） 为文章的第一作者， Prof. Liang Pan（潘亮教授）为通讯作者。
Nano Lett. 2022, ASAP
Publication Date: January 13, 2022
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03705
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