香港中文大学Nature Commun.：一种具有普适性的的原位沉积图案化材料的方法

【引言】

从电路板印刷到集成电路和纳米器件制造的常规制造过程包括多个步骤，例如材料沉积，光刻和剥离。每个步骤不仅增加成本和失败机会，而且提出了苛刻的要求。例如，在电子束蒸发过程中，样品表面温度可能被加热得太高。光刻过程中使用的有机化学物质或沉积过程中使用的高真空化学物质会降低样品质量，并进一步限制要使用的样品。在当前的技术下，由于光刻的多步骤性质，必须在每个过程中和不同设置之间移动被光刻胶覆盖的样品，每次移动后通过光致抗蚀剂成像和重新对齐可能会使保真度降低，同时大多数制造工艺与大多数表征测量均不兼容。为了解决这些问题，需要发明一种通用的单步图案化材料沉积方法。关键挑战之一是要找到一种机制，以在对材料进行原位沉积的同时对其进行构图。然而，直接图案化无机材料，尤其是金属仍然是挑战。到目前为止，只有基于光子的方法才能达到高分辨率和准确性，但复杂性和苛刻的工作条件严重限制了进一步发展。

【成果简介】

为了解决所有这些问题，香港中文大学杨森教授和夏慷蔚博士（共同通讯作者）等人提出了一种基于半导体纳米粒子为媒介的光子诱导化学还原和激光诱导光阱过程相结合的单步直接材料沉积方法（LIMD）。纳米粒子不仅成为通用的还原剂，拓宽了材料的选择范围，而且还可以充当被光力束缚的生长种子，并可以充当“胶水”以形成刚性的复合沉积物。这种方法使之能够沉积面积大，厚度大，质量高和精度高的材料。此外，该设置与基于光学显微镜的测量自然兼容，这样就可以原位实现样品表征和材料沉积。用这种方法在2D或3D中制造的各种设备表明，该方法消除了传统方法带来的制造限制，并使设备可用于实际应用。这种方法将为材料设计提供独特的工具。相关研究成果以“A universal method for depositing patterned materials in situ”为题发表在Nature Communication上。

【图文导读】

图一、激光诱导的材料沉积

（a）LIMD方法的原理示意图；

（b）实验程序的示意图；

（c）基于LIMD方法在载玻片上沉积的三个样品。

图二、使用LIMD方法在各种基板上进行的材料沉积

（a）在这项工作中的LIMD方法所使用的成分和基材的列表；

（b）沉积在基板上的不同材料的反射型照明显微图像。

图三、沉积结构的物理性质

（a，b）SEM图像显示了LIMD方法在玻璃片上沉积点和氧化铁纳米线；

（c，d）玻璃玻片上铂沉积和氧化铁沉积的的SEM图像；

（e）激光烧结之前（橙色）和之后（蓝色）制成的铂结构的电导率；

（f）铂（蓝色)和氧化铁(红色）样品的I-V曲线；

（g）共聚焦显微镜扫描得到的荧光图像和载玻片上镍沉积物的SEM图像；

（h，i）测量的ESR图谱。

 图四、通过LIMD方法制造的实际应用设备

（a，b）两个柔性设备的示意图：电阻式传感器和基于电阻的触摸传感器；

（c）结合纳米金刚石颗粒的微波波导的SEM图像；

（d）电阻与在设备a中曲率测量的关系；

（e）器件b与电阻的关系；

（f）微波驱动的Rabi振荡；

（g）微波功率取决于拉比振荡频率；

（h）3D激光写入的设计模式；

（i）由氧化铁沉积制成的三维中国地形图；

（j，k）用LIMD方法修复ITO接触间隙的原理图设计和显微图像。

【小结】

本文发展了一种结合了光子诱导的化学还原和激光诱导的光捕获技术，并结合半导体纳米粒子作为媒介的图案化材料沉积方法。在第一个演示中，已经展示了在多种基材上使用多种材料的成功应用。基于这种通用机制，可以设计更多的配方。例如，纳米颗粒可以是无机半导体或钙钛矿结构，或其他有机材料。随着更多来自不同学科的交叉，LIMD方法将被发展成为现代材料研究中的强大工具。值得一提的是，与其他传统的微结构制造设备相比，这种基于显微镜的LIMD设置还大大降低了对设备和培训的要求。甚至可以用这种方法制造用于直接打印材料的喷墨激光打印机。这将使印刷电路成为可能，并减少了人工，材料和设备的制造成本。

文献链接：“A universal method for depositing patterned materials in situ”(Nature communication，2020，10.1038/s41467-020-19210-0)

关于研究团队

       杨森教授的实验团队主要研究固态系统中的量子信息科学及科技，包括量子计算、量子通讯和量子传感测量。其团队主要研究碳基材料的量子光学特性，尤其是基于金刚石里氮空位中心的量子科技。团队研发出世界首个基于金刚石单个核自旋的高效量子光学存储器，和用于高压量子材料研究的量子传感器等。正在进行的研究包括研发基于金刚石的量子芯片、建立远程光量子网络，以及研究量子材料的超导和磁特性等。

        夏慷蔚博士曾为中大物理系研究助理教授（现就职于德国斯图加特大学物理系）。主要研究方向为对固态单个稀土离子精密谱学、基于金刚石氮缺陷色心量子精密测量以及对碳基材料光化学性质的研究。

      陈一帆（第一作者），2014年毕业于浙江省宁波市镇海中学，2019年在香港中文大学完成物理理学学士学位，现正在香港中文大学理学院物理系攻读博士学位。

  其他团队成员包括一位中大物理系本科生卢颖琪同学，研究生洪兆辉、陈旸和沈阳。其中陈一帆和洪兆辉是共同第一作者。本研究由中大和香港教育资助委员会资助。

研究组最近一年的主要论文：

• Y.F. Chen, S.F. Hung, W. K. Lo, Y. Chen, Y. Shen, K. Kafenda, J. Su, K. Xia*, and Sen Yang*, A universal method for depositing patterned materials in-situ, Nature Communications 11, 5334 (2020)
• Kin On Ho, Man Yin Leung, Yaxin Jiang, Kin Pong Ao, Wei Zhang, King Yau Yip, Yiu Yung Pang, King Cho Wong Swee K. Goh*, Sen Yang*, Probing Local Pressure Environment in Anvil Cells with Nitrogen-Vacancy (N-V−) Centers in Diamond, Phys. Rev. Applied 13, 024041 (2020).
• Kangwei Xia*, Roman Kolesov, Ya Wang*, Petr Siyushev, Thomas Kornher, Rolf Reuter, Sen Yang, Jörg Wrachtrup,Spectroscopy properties of a single praseodymium ion in a crystal, New J. Phys. 22, 073002 (2020).
• Kangwei Xia*, Wei-Yi Chiang, Cesar Javier Lockhart de la Rosa, Yasuhiko Fujita, Shuichi Toyouchi, Haifeng Yuan, Jia Su, Hiroshi Masuhara, Stefan De Gendt, Steven De Feyter, Johan Hofkens, Hiroshi Uji-i*, Photo-induced electrodeposition of metallic nanostructures on graphene, Nanoscale 12, 11063 (2020).
• King Yau Yip, Kin On Ho, King Yiu Yu, Yang Chen, Wei Zhang, S. Kasahara, Y. Mizukami, T. Shibauchi, Y. Matsuda, Swee K. Goh*, Sen Yang*, “Measuring magnetic field texture in correlated electron systems under extreme conditions”, Science 366, 1355 (2019)

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