基于双光束超分辨激光直写技术的增量三维金属纳米结构加工研究

Metallic micro/nanostructures demonstrate indispensable roles to underpin advancing nanophotonics researches. The free-electrons in metal endue the structures with unique optical response upon excitation by photons, so called surface plasmon resonance, which results in significant enchancement of local optical field. To realize metallic structures in the nanoscale, researchers apply various fabrication techniques based on accurate operation of focused ion beam or focus electron beam. Nevertheless, the present fabrication approaches are confronting great challenges in complicated fabrication process, costly fabrication facilities and lack of protocols in fabricating 3D structures, which set up great barriers for further studying the functions and applications of metallic micro/nanostructures. In addition, suffering from diffraction nature of light, traditional direct laser writing technique fails to produce metallic nanostructures. To overcome these limitations, this project proposes a two-beam super-resolution additive fabrication method based on inhibited photoreduction process to break the bottleneck issues in direct laser writing technique. It aims to improve resolution in the fabrication of 3D metallic structures to the nanoscale. In this project, super-resolution mechanisms will be investigated to implement photoinhibited-photoreduction process. The size and resolution of 3D metallic structures as fabricated will be studied with developing photoreduction materials, fabrication methodology as well as fabrication process. The control of electronic and optical performance of the structures will also be explored by studying the relation between the physical properties and the structural features, including geometrical feature and particle aggregation feature. This project can provide fundamental supports for designing and developing next generation opto-electronic nanodevices.

由于具有表面等离激元共振引起的强光局域效应，金属微纳结构在纳米光子学的发展中发挥着不可替代的作用。目前其制备方法主要基于高精度聚焦离子束或聚焦电子束扫描加工，而这些方法都面临加工工艺复杂，加工设备昂贵以及缺乏三维金属结构加工能力的问题，极大限制了对金属纳米结构功能和应用的深入研究。而传统激光直写技术受光学衍射极限限制还不能制备纳米尺度的金属结构。针对这些问题，在前期实现9nm超分辨激光直写技术基础上，本项目拟利用双光束超分辨激光直写技术和金属光还原反应结合实现金属三维纳米结构增量加工新技术。通过实现光抑制光还原反应超分辨机制，优化加工工艺技术和材料构成实现三维金属纳米结构制备，并探索金属聚集结构与性能的关系提高的导电特性和光学性能，实现可见光波段表面等离激元共振，为下一代纳米光电功能器件的设计和制备提供核心技术支持。

本项目针对目前三维金属微纳结构加工分辨率受限的技术问题以及金属微纳结构性质和功能探索的基础应用问题，开展了基于金属光还原过程的超分辨激光直写加工原理和技术研究，在金属材料选择，金属光还原反应控制机理和控制方法，超分辨控制机理，加工工艺技术和金属微纳结构潜在应用方面做了相关探索，并在理论和实验中探讨三维金属微纳结构制备中的关键技术，同时研究了激光加工金属微纳结构的凝聚状态与其光学和电学性能的关系。首先在材料制备方面，利用光敏反应材料体系设计，我们分别制备和研究了金离子、银离子和钯离子三种材料体系下光还原生成金属纳米颗粒过程。采用具有不同还原能力的光敏还原剂，配合具有限制颗粒生长能力各异的抑制剂，我们分析了具有不同电子转移能力和电子转移数的光敏化分子对还原速度以及最终金属颗粒形态及其光电性质的影响，从而实现了光学多参量调控金属离子光还原过程，对金属微纳结构加工材料选择具有非常重要的指导意义；在光抑制方法上，首次引入光氧化抑制作用，通过改变光波长操控金离子氧化-还原反应，动态控制金纳米颗粒的增大和缩小，我们分析了调节金属得失电子能力对抑制强度和抑制效率的影响，并实现了光致金属纳米材料变色作用，开发了新的超分辨加工实现途径；通过聚合物分子网格抑制金属纳米颗粒生长，我们实现了超高精细度的三维金纳米结构制备，该结构具有良好导电性，可达到20万西门子每米(2000万西门子每厘米)；在激光加工方面，通过空间重合两束紧聚焦光束，搭建和优化了飞秒-连续光加工系统以及飞秒-连续光表征系统。利用激光参量(包括光波长和脉冲宽度)和加工工艺（包括扫描速度和）控制银离子还原过程以及银微纳结构形貌和尺寸，最终获得了45nm加工分辨率，突破了光学衍射极限。我们进一步探索了结构的光致发光特性，实现了具有圆二色性的金属荧光结构制备。在本课题项目支持下，为进一步发展金属微纳结构激光加工技术与开发相关新应用奠定了基础。