科技進展

上海微系統所“萬能離子刀”超高線密度光柵制備成果入選2019年中國光學十大進展

  

  中國科學院上海微系統所信息功能材料國家重點實驗室歐欣研究員課題組開發“萬能離子刀-反向外延”技術,解決傳統納米圖形化方法中“極小周期結構”與“大面積制備”難以統一的問題,實現了晶圓級超高線密度光柵器件的制備。該工作從候選的110項研究進展中脫穎而出,入選近日《中國激光》發布的2019年的中國光學十大進展——應用研究類。  

  歐欣研究員及其指導的博士生賈棋(已畢業,現ASML工作)、黃浩、張師斌等人在2英寸晶圓上實現了>20000線/毫米光柵結構的高效制備,并與同濟大學黃秋實副教授、王占山教授合作將超高線密度光柵結構與高效率X射線多層膜相結合,實驗角色散性能比現有成熟技術制備的最高線密度光柵器件(5000線/毫米)高6倍【Nature Communications 10,2437 (2019)】。在國家自然科學基金聯合基金重點項目的支持下,該團隊與微系統所劉志研究員及上海光源郭智研究員合作正進一步驗證超高線密度光柵在同步輻射光源上的應用。

  光柵是光學和光電系統的核心構造單元之一,是空間探測、同步輻射和自由電子激光大科學裝置、激光慣性約束核聚變等國家重大工程的關鍵部件。光柵的線密度決定了單色器和譜儀系統的色散和分辨率性能。隨著現代光學技術的發展,尤其是同步輻射和自由電子激光等大型X射線科學裝置的發展,高分辨率X射線譜學技術對超高線密度(超小周期)納米光柵元件的要求越來越高。傳統自上而下的納米制備技術(包括光刻和電子束直寫等)難以實現大面積亞百納米周期光柵元件的制備,限制了X射線光譜探測分辨率的進一步提升和凝聚態物理中相關科學的發展。

       針對上述問題,該團隊首先提出一種基于空位自組裝“反向外延”物理模型【Physical Review Letters,111,016101 (2013)】,在理論模型的指導下發展了一種新型超高線密度光柵器件的制備技術。多層膜光柵制備流程示意圖如圖1,利用低能離子轟擊在半導體材料(GaAs)表面激發空穴的自組裝過程,形成高度規則的納米溝槽陣列,溝槽周期達到亞50nm水平,形狀類似對稱的閃耀光柵結構,光柵線密度相當于2萬線/毫米。在此基礎上,將超高線密度光柵結構與多層膜相結合,形成三維多層膜光柵結構,大大提高光柵衍射效率,使其可工作在X射線波段;多層膜光柵的高級次衍射也將進一步提高元件的色散性能。

  圖2 為Mo/Si和Cr/C多層膜納米光柵的色散測試,結果表明:研制的Mo/Si多層膜納米光柵在87.5eV的X射線能量獲得11%的衍射效率;Mo/Si和Cr/C多層膜光柵在90eV和270eV附近獲得0.21°/eV和0.093°/eV的超高角色散,比現有技術制備的最高線密度5千線/毫米光柵的色散性能提高4.5-6.3倍。

  同時,該技術在2英寸晶圓上實現了多層膜納米光柵的均勻構筑,展現了該方法具有大面積快速制備的獨特優勢。這項技術不僅為超高分辨率光柵的制備提供了新方法,突破了傳統光柵元件色散性能的瓶頸;也為高性能緊湊型X射線光譜儀的發展奠定了基礎。該技術已經獲得三項中國發明專利和一項德國專利的授權,具有自主知識產權。

  該項目得到了國家自然科學基金聯合基金重點項目、國家自然科學基金優秀青年科學基金的支持。

  中國光學十大進展”推選活動由中國激光雜志社發起,旨在介紹國內科研人員在知名學術期刊上發表的與光學相關的具有重要學術、應用價值的論文,促進光學成果的傳播。

圖1 多層膜納米光柵制備流程示意圖(a-c),制備Mo/Si (d, e)和Cr/C (f, g)多層膜光柵的截面TEM圖

     

2  Mo/SiCr/C多層膜納米光柵的色散測試結果