【引言】

六方氮化硼（hBN）單晶納米片的原子平滑表面，為光電應(yīng)用域帶來(lái)了革命性的突破。在納米光學(xué)方面，hBN的強(qiáng)非線性、雙曲線色散和單光子發(fā)射等性，為相應(yīng)的光學(xué)和量子光學(xué)器件帶來(lái)些有性能。在納米電子學(xué)域，良好的物理，化學(xué)穩(wěn)定性和較寬的禁帶，使hBN成為二維電子器件的關(guān)鍵材料。目前，對(duì)hBN的研究重點(diǎn)局限于二維扁平結(jié)構(gòu)，尚未涉其3D立體結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響。如果能根據(jù)需求對(duì)hBN納米片的高度做出相應(yīng)調(diào)整，將為下代光電器件中調(diào)節(jié)光子流，電子流和激子流等性能提供個(gè)有效的方法。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，Norris教授課題組用3D納米直寫技術(shù)和反應(yīng)離子刻蝕的方法制備出可任意調(diào)控形貌的hBN納米3D結(jié)構(gòu)。此類hBN納米3D結(jié)構(gòu)在光電子器件研究域尚屬次。得意于3D納米結(jié)構(gòu)高速直寫機(jī)（NanoFrazor）在光刻膠上能實(shí)現(xiàn)亞納米精度的精確加工，Norris教授課題組運(yùn)用該方法制備了光電子學(xué)相板、光柵耦合器和透鏡等元件。獲得的元件通過(guò)后續(xù)組裝過(guò)程制備成高穩(wěn)定、高質(zhì)量的光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)。隨后，通過(guò)縮小圖形長(zhǎng)度比例的方法，引入電子傅里葉曲面，在hBN上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的高精度微納結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)了NanoFrazor在3D納米加工域的潛力。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1. 使用NanoFrazor制備hBN納米3D結(jié)構(gòu)流程圖

（a）左圖為用NanoFrazor在光刻膠表面上實(shí)現(xiàn)3D結(jié)構(gòu)制備，右圖為通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕方法將光刻膠上的3D結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到hBN的流程；（b）Mandelbrot分形圖案刻蝕在光刻膠上的結(jié)果。黑色代表圖形的高處，白色為至低處；（c）光刻膠上的Mandelbrot分形圖案通過(guò)圖（a）中的過(guò)程轉(zhuǎn)移到hBN上的結(jié)果；（d）圖（c）中hBN的SEM（傾轉(zhuǎn)30o）表征結(jié)果。

圖2. 用NanoFrazor在hBN上制備任意形貌的納米3D結(jié)構(gòu)

（a）白色中線左側(cè)為準(zhǔn)備的高密度圖形樣圖，右側(cè)為通過(guò)NanoFrazor將高密度圖形轉(zhuǎn)移到hBN后的實(shí)際結(jié)果；（b）將圖（a）中的圖形轉(zhuǎn)移到hBN后的SEM表征結(jié)果；（c）AFM測(cè)量圖（a）中紅色虛直線所示部分的表面形貌；（d）hBN納米3D結(jié)構(gòu)的高分辨成像，左下角厚度為95 nm，右上角厚度為50 nm；（e）AFM測(cè)量hBN中高密度方形結(jié)構(gòu)（29 nm）周期性圖樣結(jié)果，體現(xiàn)了NanoFrazor對(duì)制備結(jié)構(gòu)的高度可控性；右上角插圖是該周期性結(jié)構(gòu)的快速傅里葉變換（FFT）結(jié)果。

圖3. 用NanoFrazor制備的hBN光學(xué)微納元件

（a）在130 nm厚hBN上制備螺旋相位板陣列的光學(xué)表征結(jié)果；（b）單個(gè)螺旋相位板的AFM結(jié)果；（c）具有球形輪廓的hBN微透鏡光學(xué)顯微照片；（d）微透鏡理論圖樣（左側(cè)）和實(shí)際制備結(jié)果（右側(cè)）比較；（e）光學(xué)微腔的示意圖，頂鏡、底鏡、hBN微透鏡（藍(lán)色）和帶橫向限制（黑色箭頭）的腔模式（紅色）；（f）擁有hBN微透鏡的微腔角分辨光譜結(jié)果；（g）根據(jù)制備的微腔幾何結(jié)構(gòu)所計(jì)算的橫向Ince-Gaussian模分布結(jié)果；（h）測(cè)量的橫向Ince-Gaussian分布結(jié)果。

圖4. hBN上制備的電子傅里葉曲面

（a）具有六邊形晶格的電子傅里葉曲面位圖；（d）將兩個(gè)六邊形晶格與個(gè)在平面上旋轉(zhuǎn)10°的晶格疊加而成的位圖；（g）兩個(gè)疊加的六邊形晶格的位圖，周期分別為55和47 nm，無(wú)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；（j）將九個(gè)位圖分別在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)0、20、40、60、80、100、120、140和160°后的疊加效果；（b）、（e）、（h）、（k）為使用NanoFrazor在光刻膠上制備（a）、（d）、（g）、（j）中圖形時(shí)所獲得的結(jié)果；（c）、（f）、（i）、（l）、是把（b）、（e）、（h）、（k）中的圖案刻蝕在hBN上的AFM測(cè)量結(jié)果；（a）-（l）中的插圖代表著相應(yīng)圖案的FFT結(jié)果。

【小結(jié)】

本文用NanoFrazor有的3D納米直寫技術(shù)在hBN上實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜高精度納米3D結(jié)構(gòu)的制備,為光電器件性能的應(yīng)變調(diào)控和能帶結(jié)構(gòu)調(diào)控帶來(lái)了新的研究方向。這研究結(jié)果表明，NanoFrazor在開(kāi)拓雙曲線超材料、化電子、扭轉(zhuǎn)電子、量子材料和深紫外光電器件等域新的研究方向上有著重要的作用。 

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1、3D納米結(jié)構(gòu)高速直寫機(jī)-NanoFrazor Explore