ETH Zurich Norris教授课题组：3D纳米直写技术助力任意形貌六方氮化硼（hBN）纳米3D结构的制备

发布日期：2021-06-10

【引言】

六方氮化硼（hBN）单晶纳米片的原子级平滑表面，为光电应用领域带来了革命性的突破。在纳米光学方面，hBN的强非线性、双曲线色散和单光子发射等特性，为相应的光学和量子光学器件带来一些独有性能。在纳米电子学领域，良好的物理，化学稳定性和较宽的禁带，使hBN成为二维电子器件的关键材料。目前，对hBN的研究重点局限于二维扁平结构，尚未涉其3D立体结构对性能的影响。如果能根据需求对hBN纳米片的高度做出相应调整，将为下一代光电器件中调节光子流，电子流和激子流等性能提供一个有效的方法。

【成果简介】

近日，Norris教授课题组利用3D纳米直写技术和反应离子刻蚀的方法制备出可任意调控形貌的hBN纳米3D结构。此类hBN纳米3D结构在光电子器件研究领域尚属。得意于3D纳米结构高速直写机（NanoFrazor）在光刻胶上能实现亚纳米级精度的精确加工，Norris教授课题组运用该方法制备了光电子学相板、光栅耦合器和透镜等元件。获得的元件通过后续组装过程制备成高稳定、高质量的光学微腔结构。随后，通过缩小图形长度比例的方法，引入电子傅里叶曲面，在hBN上实现复杂的高精度微纳结构，展现了NanoFrazor在3D纳米加工领域的潜力。

【图文导读】

图1. 使用NanoFrazor制备hBN纳米3D结构流程图

（a）左图为利用NanoFrazor在光刻胶表面上实现3D结构制备，右图为通过反应离子刻蚀方法将光刻胶上的3D结构转移到hBN的流程；（b）Mandelbrot分形图案刻蚀在光刻胶上的结果。黑色代表图形的高处，白色为低处；（c）光刻胶上的Mandelbrot分形图案通过图（a）中的过程转移到hBN上的结果；（d）图（c）中hBN的SEM（倾转30o）表征结果。

图2. 利用NanoFrazor在hBN上制备任意形貌的纳米3D结构

（a）白色中线左侧为准备的高密度图形样图，右侧为通过NanoFrazor将高密度图形转移到hBN后的实际结果；（b）将图（a）中的图形转移到hBN后的SEM表征结果；（c）AFM测量图（a）中红色虚直线所示部分的表面形貌；（d）hBN纳米3D结构的高分辨成像，左下角厚度为95 nm，右上角厚度为50 nm；（e）AFM测量hBN中高密度方形结构（29 nm）周期性图样结果，体现了NanoFrazor对制备结构的高度可控性；右上角插图是该周期性结构的快速傅里叶变换（FFT）结果。

图3. 利用NanoFrazor制备的hBN光学微纳元件

（a）在130 nm厚hBN上制备螺旋相位板阵列的光学表征结果；（b）单个螺旋相位板的AFM结果；（c）具有球形轮廓的hBN微透镜光学显微照片；（d）微透镜理论图样（左侧）和实际制备结果（右侧）比较；（e）光学微腔的示意图，顶镜、底镜、hBN微透镜（蓝色）和带横向限制（黑色箭头）的腔模式（红色）；（f）拥有hBN微透镜的微腔角分辨光谱结果；（g）根据制备的微腔几何结构所计算的横向Ince-Gaussian模分布结果；（h）测量的横向Ince-Gaussian分布结果。

图4. hBN上制备的电子傅里叶曲面

（a）具有六边形晶格的电子傅里叶曲面位图；（d）将两个六边形晶格与一个在平面上旋转10°的晶格叠加而成的位图；（g）两个叠加的六边形晶格的位图，周期分别为55和47 nm，无平面内旋转；（j）将九个位图分别在平面内旋转0、20、40、60、80、100、120、140和160°后的叠加效果；（b）、（e）、（h）、（k）为使用NanoFrazor在光刻胶上制备（a）、（d）、（g）、（j）中图形时所获得的结果；（c）、（f）、（i）、（l）、是把（b）、（e）、（h）、（k）中的图案刻蚀在hBN上的AFM测量结果；（a）-（l）中的插图代表着相应图案的FFT结果。

【小结】

本文利用NanoFrazor独有的3D纳米直写技术在hBN上实现了复杂高精度纳米3D结构的制备,为光电器件性能的应变调控和能带结构调控带来了新的研究方向。这一研究结果表明，NanoFrazor在开拓双曲线超材料、极化电子、扭转电子、量子材料和深紫外光电器件等领域新的研究方向上有着重要的作用。