微/纳光学阵列元件的约束刻蚀剂层加工技术与系统的基础研究

微/纳光学元件是一类由浅浮雕三维图形构成的纳米结构元件。微/纳光学元件制造是典型的三维浅浮雕图形化过程，要求对GaAs、石英等硬质光学材料的加工分辨率达到纳米尺度。本项目以约束刻蚀剂层技术（CELT）为手段，以微/纳光学阵列元件为对象，围绕CELT电化学纳米加工的基础理论与关键技术：（1）薄层溶液中电化学诱导化学刻蚀体系的反应动力学特性及优化；（2）薄层溶液区电化学反应、捕捉反应与组分扩散、迁移的交互作用；（3）多维微位移/力全反馈纳米定位、动态调平与恒微接触力进给控制，从化学机理、工艺原理和装备技术三方面开展多学科交叉基础研究，揭示微纳尺度薄层溶液区复杂化学反应与传质过程的耦合规律，解决刻蚀剂-捕捉剂体系筛选、反应条件优化、刻蚀加工状态动态感知和刻蚀加工过程定域性控制等关键问题，形成一套工艺简单、适合于多种材料的浅浮雕阵列图形纳米精度复制加工新工艺与新装备，推动三维微纳米制造技术的进步。

项目研究工作按照计划任务书要求进行，已完成全部预定工作：（1）针对约束刻蚀剂层技术（CELT）微纳加工的工艺特点，研究解决了纳米定位系统磁滞误差补偿、高速进给宏微切换运动控制、模板-基底接触检测与恒微接触力控制、产物输运与反应物补给控制、纳秒脉冲电源、调平导向头等关键技术，研制出三套CELT加工系统；（2）研究了CELT加工机理，建立了耦合三种化学反应（电极反应、刻蚀反应、约束反应）和两种组分传输过程（扩散、电迁移）的刻蚀加工仿真模型。针对GaAs的Br2/L-cystine约束刻蚀体系，利用扫描电化学显微镜（SECM）的反馈模式和产生收集模式实验，结合COMSOL Multiphysics仿真模拟确定了刻蚀反应与约束反应速率常数。由仿真和实验探明了影响加工精度和大面积加工均匀性的主要因素，通过优化刻蚀体系组分浓度和加工工艺参数，在研制的加工装置上实现了GaAs上微透镜阵列的纳米精度高成品率复制加工；（3）发展了两种约束刻蚀微纳加工新工艺：电化学湿印章约束刻蚀技术和金属辅助约束刻蚀技术，在半导体和金属上加工出多种三维微纳结构，包括折射型、衍射型微透镜阵列和表面增强红外元件。.项目研究成果在J Phys Chem C、Anal Chem、Electrochem Commun、IEEE Trans、Rev Sci Instrum等国内外学术期刊和会议发表论文62篇，其中SCI收录28篇、EI收录31篇，获国际会议“IEEE ICIA 2011”最佳论文奖和“3M-NANO 2014”最佳学生论文提名奖各1项；申请发明专利9项（含国际专利1项），其中授权2项；在有重要影响的国际会议上作特邀报告6次。结合项目研究，毕业博士生2人、硕士生7人；在读博士生4人、硕士生1人。项目实施期间，项目负责人获得国家杰出青年科学基金资助，入选教育部“长江学者”特聘教授，并应邀担任IEEE会刊自动化科学与工程（IEEE Trans. On Autom Sci Eng）的副主编和英国机械工程师学会会刊B辑（Proceedings of the IMechE, Part B: JEM）的编委。