摘要：浙江大学邱建荣教授联合昆明理工大学陈智教授、宁波大学钟理京研究员、华中科技大学张静宇研究员、新加坡国立大学仇成伟教授团队提出了一种新型的纳米制造技术——湿化学刻蚀辅助的单脉冲飞秒激光增强光刻技术（WEALTH），该技术能够在大面积上制造具有高纵横比和小特征尺寸
期刊：Nature Communications (IF=15.7)
发表日期：2025年8月12日
浙江大学邱建荣教授联合昆明理工大学陈智教授、宁波大学钟理京研究员、华中科技大学张静宇研究员、新加坡国立大学仇成伟教授团队提出了一种新型的纳米制造技术——湿化学刻蚀辅助的单脉冲飞秒激光增强光刻技术（WEALTH），该技术能够在大面积上制造具有高纵横比和小特征尺寸的纳米结构。这项技术通过结合飞秒激光的精确控制和湿化学刻蚀的选择性，实现了传统技术难以达到的纳米结构制造精度和规模，为纳米光子学和生物医学应用提供了新的可能性。该研究成果以“25 nm-Feature, 104-aspect-ratio, 10 mm2-area single-pulsed laser nanolithography”为题，发表在《Nature Communications》期刊上。
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背景知识
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在纳米光子学领域，制造高纵横比和大面积重复的纳米结构是一个重大挑战。传统技术如光刻和蚀刻受限于特征尺寸（通常为100nm）和最大纵横比（30:1），限制了其在大面积、无色和宽带纳米光子器件中的应用。因此，开发能够制造高纵横比纳米结构的新技术一直是研究的热点。
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研究方法
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单脉冲飞秒激光修改：利用单脉冲飞秒激光对晶体材料进行局部修改，通过球面像差增强效应拉伸焦点的瑞利长度，从而在材料内部产生高密度自由载流子，集中在直径小于200nm的区域内，实现对材料的精确非晶化。
湿化学刻蚀：在激光修改后，采用湿化学刻蚀技术选择性地去除材料中的非晶区域。通过精确控制刻蚀时间和溶液浓度，可以实现对纳米孔的直径、间距和形状的精确控制，形成具有高纵横比的纳米结构。
实验验证与优化：通过实验验证了WEALTH技术在不同材料（如YAG和蓝宝石晶体）中的有效性，实现了大面积高纵横比纳米结构的制造。同时，通过调整激光脉冲能量和刻蚀参数，优化了纳米结构的性能，使其在生物传感和纳米光子器件等应用中展现出广阔前景。
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关键结论
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WEALTH技术能够在大面积上制造高纵横比（超过104:1）和小特征尺寸（25nm）的纳米结构。适用于多种材料，包括晶体、玻璃和硅基半导体。
通过精确控制激光脉冲能量和湿化学刻蚀，可以实现对纳米孔的直径、间距、填充率和形状的精确控制。在生物传感、纳米光子晶体和手性纳米光子器件等应用中具有广阔前景。
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图片解析
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图1展示了WEALTH技术的完整流程。首先，使用单脉冲飞秒激光对单晶材料进行修改，通过球面像差增强效应拉伸焦点的瑞利长度，实现高纵横比结构的制造。随后，通过湿化学刻蚀选择性地去除非晶区域，形成高纵横比的纳米孔。该技术能够在大面积上制造具有高精度和高纵横比的纳米结构，适用于多种材料，包括晶体、玻璃和硅基半导体。
图2通过高分辨率扫描透射电子显微镜图像展示了激光修改后晶体的原子结构变化。激光脉冲与晶体相互作用后，中心区域的晶体被完全转化为非晶相，形成一个直径约50nm的非晶区域。周围区域则保持单晶相，但晶格方向发生轻微扭曲。这种结构变化为后续的湿化学刻蚀提供了选择性，使得非晶区域能够被高效去除，形成高纵横比的纳米孔。
图3展示了通过WEALTH技术制造的纳米孔的排列、形状和方向的精确控制。通过调整激光束形状和极化方向，可以实现纳米孔的任意排列和形状，包括圆形、椭圆形和螺旋形结构。这些纳米孔在纵向方向上具有高度均匀性，即使深度达到数百微米。此外，通过多束激光技术，还可以实现多孔结构单元的制造，进一步扩展了该技术在纳米光子器件中的应用潜力。
图4展示了利用WEALTH技术制造的生物传感芯片和大面积纳米光子晶体的光学性能。生物传感芯片通过在纳米孔阵列上固定特定抗体，实现了对目标抗原的高灵敏度检测。大面积纳米光子晶体则展示了其在光学带隙调控方面的潜力，通过精确控制纳米孔的尺寸和间距，实现了对光的高效调控。这些应用展示了WEALTH技术在生物医学和光学领域的广阔前景。
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总结与展望
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本文介绍的WEALTH技术为纳米光子学和生物医学领域提供了一种强大的新工具。通过结合单脉冲飞秒激光和湿化学刻蚀，该技术能够在大面积上制造具有高纵横比和小特征尺寸的纳米结构。这些纳米结构在生物传感、纳米光子晶体和手性纳米光子器件等应用中展现出巨大的潜力。
未来，WEALTH技术有望在更多材料和应用中得到推广。例如，通过进一步优化激光参数和刻蚀工艺，可以实现更小的特征尺寸和更高的纵横比。此外，该技术还可以扩展到3D集成光学、微电子学和纳米生物技术等领域，为下一代纳米器件的设计和制造提供新的思路。
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本文为科普类文章，旨在普及微流控领域相关知识、促进科学传播。
长三角G60激光联盟陈长军转载
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来源：江苏激光联盟
