納米光刻：激光泡沫筆光刻技術(shù)仿造膠體納米顆粒

　　膠體顆粒，比如量子點(diǎn)和金屬納米顆粒，它們正成為微電子、可再生能源以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域傳感/施藥等應(yīng)用的重要設(shè)備。不幸的是，使用光子、聚焦離子束或電子束的標(biāo)準(zhǔn)光刻方法不能在固體基板上圖案化這些顆粒。光學(xué)鑷子提供強(qiáng)大的性能以全面操作這些顆粒，然而，使顆粒固定到基板上仍充滿挑戰(zhàn)性。此外，光學(xué)鑷子的高功率運(yùn)行狀態(tài)(高達(dá)100 mW/μm2)限制了其應(yīng)用范圍。

　　得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究人員研發(fā)出一種獨(dú)特的方法，采用功率非常低的激光器在電漿基板和含有膠體納米顆粒的液體溶液之間的界面位置生成微泡。這種“泡沫筆”利用對(duì)流、表面張力和氣壓將顆粒拖向氣泡。通過這種泡沫筆光刻(BPL)技術(shù)，可以將具有不同分辨率和結(jié)構(gòu)的任意圖案以光學(xué)方式寫在基板上。

　　等離子體增強(qiáng)光熱效應(yīng)

　　尺寸約為數(shù)十納米、在載玻片上的間距為個(gè)位數(shù)納米的納米顆粒被用作等離子體基板。低功率激光器，其每平方微米級(jí)的功率為個(gè)位數(shù)毫瓦，且波長(zhǎng)可以調(diào)諧以匹配納米顆粒的等離子體共振波長(zhǎng)，這種激光器就足以進(jìn)行圖案化。

　　為形成氣泡，要從等離子體基板下側(cè)聚焦直徑2μm的激光束，使其聚焦到膠體粒子溶液上，該溶液被夾在基板和與基板間隔120 μm的蓋玻片間。由于等離子體增強(qiáng)光熱效應(yīng)導(dǎo)致水蒸發(fā)，蒸發(fā)的水汽在等離子體基板頂部形成直徑低至1μm的氣泡。

　　然后，膠體顆粒被拖向微泡并被截留在氣泡/溶液界面上，最終固定在基板上。當(dāng)激光器電源關(guān)閉時(shí)，由于熱效應(yīng)帶來的增強(qiáng)基板附著力因素，顆粒仍停留在它們被圖案化的位置。即使在基板被漂洗并烘干之后，這些顆粒圖案仍保留在基板上，這一特性使該方法適用于制造功能性設(shè)備。將激光束作為筆，隨著掃描激光束而移動(dòng)氣泡，就可以形成納米顆粒的圖案，如圖1。

　　微泡位置的顆粒捕獲是由基板上溫度梯度引起的自然對(duì)流，結(jié)合沿著微泡表面的表面張力梯度引起的Marangoni對(duì)流而引起的。氣泡的平面內(nèi)曳力引起粒子，在粒子接觸微泡表面時(shí)將其捕獲，這是一種可通過力學(xué)方程量化和預(yù)測(cè)的現(xiàn)象。事實(shí)上，還可以通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬結(jié)果來預(yù)測(cè)氣泡的溫度分布。

　　圖1. 氣泡筆光刻(BPL)是一種使諸如量子點(diǎn)、聚苯乙烯珠或其他納米顆粒等膠體顆粒在等離子體基板上圖案化的方法，它采用激光器生成光學(xué)控制微泡，以便將顆粒截留并固定在氣泡位置(上圖)。不同的激光功率密度生成具有不同尺寸的氣泡(左下圖)，它們能將三維形狀的顆粒截留在氣泡本身的球形外殼上(右下圖)。

　　在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，具有不同功率密度的激光器可用于生成不同尺寸的氣泡，以便能夠以1 mW/μm2的激光功率能級(jí)將聚苯乙烯珠之類的納米顆粒合并到具有一種三維外殼結(jié)構(gòu)的氣泡上，其功耗比典型光學(xué)鑷子(100 mW/μm2)低100倍。

　　得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的助理教授Yuebing Zheng 指出：“根據(jù)顆粒類型的不同，圖案化顆粒具有多種用途。例如，金屬納米顆粒能夠形成超表面和超材料，它們能以天然材料無法提供的方式控制光，且圖案化生物細(xì)胞能夠在組織工程與高通量藥物篩選領(lǐng)域找到重大應(yīng)用前景。未來，我們將進(jìn)一步研究以提高該技術(shù)的吞吐量與自動(dòng)化水平，以便用膠體粒子和生物細(xì)胞大批量制造功能材料與設(shè)備。其中一種方法是研發(fā)多光束處理技術(shù)。”