陳珊珊 劉幸 劉之光 李家方

1) (北京理工大學(xué)物理學(xué)院, 教育部先進(jìn)光電量子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京市納米光子學(xué)與超精密光電系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081)

2) (中國(guó)科學(xué)院物理研究所光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190)

特邀綜述

1 引 言

剪紙藝術(shù)是我國(guó)古老的傳統(tǒng)民間藝術(shù)瑰寶, 以一把剪刀, 一張薄紙, 即可傳遞創(chuàng)作者的美好寓意.其發(fā)展源頭可追溯到《史記》中所記載, 西周初期周成王(公元前1055—1021年)將梧桐葉剪成“圭”狀作為信物賜其弟并封侯, 史稱“桐葉封弟”[1].自東漢蔡倫于公元105年改進(jìn)造紙術(shù)后, 紙張開始普及, 符合民情風(fēng)俗的剪紙藝術(shù)便隨之在民眾中產(chǎn)生[2].目前中國(guó)發(fā)現(xiàn)最早的剪紙文物是公元386—581年期間的“北朝對(duì)馬團(tuán)花剪紙”[1], 其復(fù)原圖的精妙及復(fù)雜程度令人驚嘆, 如圖1所示.隨著時(shí)代更迭, 具有自身獨(dú)特魅力的剪紙藝術(shù)被視為民族文化中的一塊活化石流傳至今.

然而, 早期的人們并沒有關(guān)注到剪紙藝術(shù)中所包含的科學(xué)思想, 直到剪紙文化于公元6世紀(jì)傳播到日本后[3], 才被人們作為一門獨(dú)特的技術(shù)得到詳細(xì)的記錄和不斷的發(fā)展, 形成更為豐富的表達(dá)形式和科學(xué)延伸[4].在西方, 剪紙和折紙最早是作為儀式的象征符號(hào)獨(dú)立發(fā)展起來的, 并于15世紀(jì)作為禮物、裝飾、藝術(shù)品等在社會(huì)名流間盛行起來.1962年Florence Temko根據(jù)剪紙的日語發(fā)音(kiri意為“剪”, gami意為“紙”), 在書籍《Kirigami,the Creative Art of Papercutting》中用“kirigami”一詞命名剪紙并被廣泛使用[5], 與剪紙相對(duì)應(yīng)的還有折紙藝術(shù)的英文名稱“origami”, 同樣源于日語(ori意為“折”), 導(dǎo)致很多學(xué)者認(rèn)為剪紙藝術(shù)起源于日本.需要說明的是, 剪紙分為圖形剪裁和結(jié)構(gòu)形變兩步, 而折紙一般不包含剪裁部分, 為介紹方便, 在本文中統(tǒng)稱這兩類技術(shù)或方法為剪紙.

自2010年以來, 剪紙技術(shù)作為一種新穎的三維加工方式被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、醫(yī)療、微電子、聲學(xué)、光學(xué)等領(lǐng)域[6-12], 并在各個(gè)空間尺度得到了開拓性的發(fā)展, 比如外太空飛行器的太陽能帆板折疊技術(shù)[10]、微納機(jī)電系統(tǒng)[7]、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備[12]以及微納米級(jí)機(jī)械和光子材料[6,8,9,13,14].而隨著現(xiàn)代材料和制造領(lǐng)域的飛速發(fā)展, 剪紙技術(shù)近年來在三維微納加工領(lǐng)域也具有較大的發(fā)展空間[15-18].這項(xiàng)技術(shù)無需多層平面堆疊工藝所要求的精準(zhǔn)拼接[19],也不需要三維激光制備過程中的三維精確平移[20,21],就能實(shí)現(xiàn)從二維平面圖形到三維立體結(jié)構(gòu)的豐富形變, 所制備的結(jié)構(gòu)在連續(xù)性、復(fù)雜性、幾何構(gòu)造演化、動(dòng)態(tài)調(diào)諧等方面顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[7].

在微納尺度實(shí)現(xiàn)剪紙形變的手段主要分為應(yīng)力控制形變和機(jī)械引導(dǎo)形變.其中應(yīng)力控制的折疊、彎曲等現(xiàn)象本質(zhì)是利用不同應(yīng)力作用到不同區(qū)域, 為達(dá)到最后的應(yīng)力平衡使得結(jié)構(gòu)發(fā)生形變.因此要實(shí)現(xiàn)預(yù)期的結(jié)構(gòu)形變, 關(guān)鍵是要對(duì)結(jié)構(gòu)施加合適的應(yīng)力.而針對(duì)環(huán)境和材料的差異, 在微納尺度結(jié)構(gòu)上施加應(yīng)力的方法可分為毛細(xì)作用力[22-26]、薄膜殘余應(yīng)力[27-30]、主動(dòng)材料法[31-36]等, 如圖2(a)所示[16].例如, 對(duì)于不同材料堆疊而成的多層薄膜,當(dāng)用腐蝕等方法移除底部的犧牲層后, 懸空的結(jié)構(gòu)因殘余應(yīng)力的存在會(huì)發(fā)生自行卷曲形變(圖2(c))[28,37];對(duì)于主動(dòng)材料, 通過改變溫度、濕度等參數(shù), 可以使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生空間上的非均勻應(yīng)力分布, 從而使二維圖案形變得到三維結(jié)構(gòu)(圖2(d))[32,38].此外, 通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拉拽等機(jī)械手段也可實(shí)現(xiàn)對(duì)形變的精確控制, 得到復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu).例如, 2015年張一慧課題組[39]先在襯底上做好預(yù)先設(shè)計(jì)的二維圖案,再轉(zhuǎn)移到一張預(yù)拉伸的襯底上進(jìn)行局部固定, 襯底被釋放后發(fā)生收縮, 導(dǎo)致二維圖案隆起形成復(fù)雜多樣的三維結(jié)構(gòu) (圖2(e)).同年, Blees等[13]將石墨烯裁剪成各種典型的剪紙結(jié)構(gòu), 利用機(jī)械探針、激光誘導(dǎo)或磁場(chǎng)調(diào)控等方法, 完成了石墨烯從二維到三維的剪紙形變過程, 如圖2(f)所示.最近, 高鴻鈞課題組[40]在低溫下利用掃描隧道顯微鏡操縱石墨烯, 可沿任意方向?qū)κ┘{米島進(jìn)行反復(fù)折疊和伸展, 最終成功將石墨烯加工成原子級(jí)精確度的復(fù)雜“折紙”結(jié)構(gòu)(圖2(g)).

由此可見, 利用剪紙/折紙形變構(gòu)筑新的結(jié)構(gòu)正逐漸形成一個(gè)獨(dú)特的研究領(lǐng)域, 但在微納尺度,這類研究還面臨諸多挑戰(zhàn).這是因?yàn)? 以往的在微納尺度上的剪紙/折紙技術(shù), 首先要預(yù)先設(shè)計(jì)好結(jié)構(gòu)形貌和應(yīng)力施加方案, 再經(jīng)過一系列不可逆的工序形成微納結(jié)構(gòu), 中間步驟很難修改、添加或刪除.因此實(shí)現(xiàn)片上、原位、可控的三維納米剪紙成了很多科研學(xué)者追求的新目標(biāo).基于前期的探索工作[41,42],為展現(xiàn)納米剪紙?jiān)谌S微納加工方面的卓越能力及其應(yīng)用潛力, 為國(guó)內(nèi)同行提供一定的研究參考,本文著重介紹和總結(jié)基于聚焦離子束(focused ion beam, FIB)輻照的納米剪紙加工原理、技術(shù)及其應(yīng)用.對(duì)以往的基于FIB折疊/彎曲的研究工作(即下文的“樹型”納米剪紙)進(jìn)行總結(jié), 重點(diǎn)介紹了近期發(fā)展的基于結(jié)構(gòu)拓?fù)湫蚊惨龑?dǎo)的納米剪紙概念(即下文的“閉環(huán)”納米剪紙), 并采用這兩種類型的加工方法制備幾何形貌豐富的三維微納結(jié)構(gòu).更重要的是這些納米剪紙結(jié)構(gòu)具有的獨(dú)特光學(xué)效應(yīng),如多重法諾(Fano)共振及其強(qiáng)耦合作用, 超光學(xué)手性, 超構(gòu)表面衍射、相位和偏振特性以及光子自旋霍爾效應(yīng) (photonic spin Hall effect, PSHE)等.這些研究及制備的納米結(jié)構(gòu)可以為發(fā)展多功能三維制造技術(shù)(如三維納米智能制造、新型4D打印等)、表面等離激元光學(xué)、納米光子學(xué)、光力學(xué)、微納機(jī)電系統(tǒng)等提供新的技術(shù)支持和研究思路.

2 基于聚焦離子束的三維納米折疊/剪紙

制造技術(shù)的微納米尺度化賦予了微觀結(jié)構(gòu)新的物理特性, 伴隨著人工微納結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的迅速發(fā)展和微納器件應(yīng)用需求的不斷提高, 微納制造技術(shù)向三維空間擴(kuò)展成為一種必要和必然的趨勢(shì).然而,傳統(tǒng)的自上而下和自下而上的半導(dǎo)體工藝、納米顆粒自組裝技術(shù), 以及三維激光直寫等技術(shù), 遵循的是一種線性序列, 大部分通過逐層加工二維平面來堆疊三維空間或三維逐點(diǎn)加工構(gòu)建立體結(jié)構(gòu), 工藝的復(fù)雜度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度成正比.而將FIB作為加工手段引入到三維納米折疊/剪紙技術(shù)中來, 可形成獨(dú)特的從二維平面到三維立體結(jié)構(gòu)的形變科學(xué), 從而突破傳統(tǒng)三維微納制造的線性累加思維,在結(jié)構(gòu)的連續(xù)性、復(fù)雜性、幾何構(gòu)造演化、動(dòng)態(tài)調(diào)諧等方面顯示出巨大的發(fā)展空間和應(yīng)用潛能.本節(jié)首先從原理和應(yīng)用兩部分對(duì)FIB納米剪紙技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹, 進(jìn)一步深入討論利用FIB所構(gòu)建的納米剪紙的類型以及結(jié)構(gòu)變形的不同特性.

2.1 聚焦離子束微納加工簡(jiǎn)介

圖3 基于FIB輻照產(chǎn)生應(yīng)力的主要機(jī)理[43] (a), (b)自支撐金膜在FIB輻照下的應(yīng)力分布和雙層應(yīng)力模型示意圖; 利用SRIM軟件計(jì)算得到的在加速電壓為30 kV時(shí)(c)鎵離子和(d)空隙的深度分布圖; (e)舌型結(jié)構(gòu)在FIB全局輻照后的掃描電子顯微鏡 (scanning electron microscopy, SEM)圖像和利用 (b)圖中雙層應(yīng)力模型計(jì)算的結(jié)果 (比例尺：1 μm)Fig.3.Illustration of the fundamentals of FIB-induced stress[43]：(a), (b) Schematic illustration of residual stress distribution and double-layer stress model within a gold nano-film under FIB irradiation; simulated distributions of (c) gallium ion concentration and(d) vacancy density versus the depth of the nanofilm using SRIM software with ion acceleration voltage of 30 kV; (e) SEM image of a tongue-like structure after FIB global irradiation and the calculated result (Scale bars：1 μm).

FIB系統(tǒng)中液態(tài)金屬離子源產(chǎn)生的離子經(jīng)過高壓抽取和加速后, 可通過電透鏡和偏轉(zhuǎn)透鏡照射到樣品表面的指定位置, 在撞擊過程中可剝離樣品表面的原子達(dá)到切割或研磨的目的, 最終實(shí)現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)的加工.文獻(xiàn)[43]中, 基于FIB納米剪紙的主要工具是標(biāo)準(zhǔn)的FIB刻蝕系統(tǒng), 即一臺(tái)雙光束FIB/SEM 系統(tǒng) (FEI Helios 600i), 其液態(tài)離子源為鎵 (Ga)離子, 加速電壓為 8—30 kV, 束流從24—80 pA (實(shí)際上, 納米剪紙的必要條件是獲得一定形式的應(yīng)力分布, 在具體設(shè)備方面具有通用性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 其他形式的離子源, 如氦離子源刻蝕系統(tǒng), 也能夠?qū)崿F(xiàn)類似的功能).長(zhǎng)久以來,FIB作為一種納米加工手段, 在使用的過程中往往伴隨著殘余應(yīng)力、表面損傷、離子注入等難以避免的現(xiàn)象.而納米剪紙方法卻正是充分利用這種由鎵離子和金膜碰撞而產(chǎn)生的“不希望的”殘余應(yīng)力來改變樣品的表面形貌, 實(shí)現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)的直接無掩模加工[43].具體來說, 如圖3(a)所示, 當(dāng)金納米薄膜(本文中為自支撐的金納米薄膜, 厚度為80 nm[43])受到高能離子束照射時(shí), 會(huì)發(fā)生若干物理過程, 主要過程可總結(jié)為以下四方面[43,44]：1)一些金原子被濺射離開表面從而產(chǎn)生空隙, 剩余的金原子發(fā)生顆粒聚合[45,46], 導(dǎo)致在薄膜表面附近產(chǎn)生張應(yīng)力;2)一些鎵離子被注入到金膜內(nèi)部, 產(chǎn)生壓應(yīng)力;3)鎵離子的撞擊使得一些未被濺射出的金原子發(fā)生位移; 4)金原子和鎵原子發(fā)生再沉積現(xiàn)象.SRIM軟件可用于模擬預(yù)測(cè)空隙和注入的鎵離子的范圍[43].如圖3(c)和圖3(d)所示, 在 30 kV 電壓下, 加速的鎵離子撞擊到金膜上, 使在接近表面的20 nm范圍內(nèi)存在注入的離子和產(chǎn)生的空隙.即FIB對(duì)一定距離的金膜影響較大, 但底層金膜幾乎不受直接影響.用圖3(b)中的雙層應(yīng)力模型來描述在離子束輻照下金膜的受力分布情況[43].考慮到表層金膜受各種物理過程的綜合影響且受直接影響的厚度很薄(＜ 20 nm), 可用一個(gè)均勻分布的等效張應(yīng)力進(jìn)行描述.而底層金膜主要因?yàn)楸韺咏鹉らg接帶動(dòng)發(fā)生彈性形變, 因此具有從上到下的梯度應(yīng)力.在該模型中, 由于張應(yīng)力占主導(dǎo)地位,于是受到FIB全局輻照后的舌型結(jié)構(gòu)向上彎曲,如圖3(e)所示[43].理論計(jì)算出的結(jié)果與實(shí)際的彎曲完全一致, 充分說明該模型的準(zhǔn)確性.

圖4 (a)離子束剪裁、折疊懸空納米薄膜示意圖; (b)—(i) FIB 制備的各種三維結(jié)構(gòu)的 SEM 圖像[49—52,54,55,57]Fig.4.(a) Schematic illustration of ion beam cutting and folding of thin film; (b)-(i) SEM images of various 3D structures prepared by FIB[49-52,54,55,57].

自20世紀(jì)80年代離子束系統(tǒng)被成功應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)以來, FIB技術(shù)已成為亞微米制造和無掩模工藝的有效方法之一[47,48].在利用FIB進(jìn)行實(shí)際的納米加工過程中, 人們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過掃描的一些地方會(huì)意外出現(xiàn)缺陷、損傷或不良應(yīng)力, 因此, 人們?cè)谑褂肍IB時(shí)通常都要盡量避免額外的離子束掃描.然而, Yoshida等[49]將這一缺點(diǎn)充分利用起來, 在2005年展示了FIB導(dǎo)致納米結(jié)構(gòu)彎曲的現(xiàn)象 (圖4(b)).接下來, 2006年P(guān)ark 等[50]利用 FIB實(shí)現(xiàn)了碳納米管的彎曲(圖4(c)); 同年北京大學(xué)吳文剛課題組[51]使用該方法在懸空薄膜上制備出了三維螺旋(圖4(d))和立方框架結(jié)構(gòu); 2007年麻省理工學(xué)院Arora等[44,52]系統(tǒng)地研究了基于FIB的三維形變折疊工藝(圖4(e)).這些研究表明, 自支撐薄膜上的FIB輻照可以使得納米結(jié)構(gòu)發(fā)生折疊和重組[37,50,51,53-60], 如圖4(f)—(i)所示[54,55,57], 意味著FIB有可能成為納米尺度剪紙形變過程的“納米手”.但由于缺乏實(shí)際應(yīng)用, 該技術(shù)在隨后的數(shù)年里發(fā)展緩慢.直到2015年中國(guó)科學(xué)院物理所微加工實(shí)驗(yàn)室崔阿娟等將該技術(shù)首次應(yīng)用于構(gòu)建近紅外波段的三維超構(gòu)材料[57], 如圖5(a)和圖5(b)所示, 展示了該方法在光學(xué)波段的首次應(yīng)用, 從而激發(fā)了大家利用該技術(shù)發(fā)展光學(xué)應(yīng)用的極大興趣,陸續(xù)制備出具有多重Fano共振[58,60,61]、光的選擇性傳輸(圖5(c))[62]、中紅外光開關(guān) (圖5(d))[59]、環(huán)偶極子共振(圖5(e)和圖5(f))[60,63]等優(yōu)異光學(xué)性能的三維微納結(jié)構(gòu).然而, 所有這些方法以及它們的應(yīng)用都未提出或論證“納米剪紙”的概念.這主要因?yàn)榇祟愓郫B過程比較簡(jiǎn)單, 人們可以輕易預(yù)測(cè)折疊產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)效果, 無需引入其他概念; 同時(shí), 大家在這類研究中采用的依然是一種串行的線性加工思維, 即結(jié)構(gòu)各形變部位之間相互獨(dú)立, 與剪紙加工思維大相徑庭.

圖5 (a), (b) 垂直開口諧振環(huán) (VSRR)與金屬矩形孔組成的復(fù)合結(jié)構(gòu) (MH-VSRR)陣列及其偏振相關(guān) Fano 共振[57]; (c)三維折疊超表面的SEM圖像以及右旋圓偏振光(RCP)和左旋圓偏光(LCP)的透射光譜[61]; (d)可調(diào)的三維SRR分別處于OFF和ON態(tài)時(shí)的SEM圖像, 及納米SRR陣列的開關(guān)光譜特性[59]; (e)環(huán)形偶極子模式的示意圖[63]; (f)三維超材料SEM圖片及透射圖光譜[63]Fig.5.(a), (b) Composite structure (MH-VSRR) prepared by FIB and the polarization-dependent Fano resonance[57]; (c) SEM image of 3D folded metasurface and experimentally measured transmission spectra under illumination of different circularly polarized waves[61]; (d) SEM images of switchable 3D SRR[59] in OFF and ON states at currents of 0 and 20 mA, respectively, and corresponding switching spectra; (e) schematic of toroidal dipole modes generated due to circulating magnetic field produced by current loops[63]; (f) SEM image of the 3D toroidal metamaterial and the measured transmission spectra with toroidal dipole resonance dips[63].

2.2 基于聚焦離子束的納米剪紙技術(shù)

2018年, 我們?cè)谇叭斯ぷ鞯幕A(chǔ)上, 設(shè)計(jì)出一類新的二維圖案, 采用高劑量的FIB對(duì)自支撐的金納米薄膜進(jìn)行刻蝕(即“剪裁”), 隨后利用低劑量的FIB進(jìn)行全局輻照, 使結(jié)構(gòu)在圖案拓?fù)湫蚊驳囊龑?dǎo)下實(shí)現(xiàn)三維納米結(jié)構(gòu)力學(xué)“形變”[43].特別是在連續(xù)的三維形變過程中, 納米結(jié)構(gòu)的原位折疊、屈曲、旋轉(zhuǎn)和扭曲明顯具備了宏觀剪紙的本質(zhì)特征,并具有優(yōu)于50 nm的分辨率, 因此將其命名“納米剪紙”[43], 并成功地確立了基于FIB“納米剪紙”三維微納加工的概念[42].

2.2.1 納米剪紙的分類

在納米剪紙結(jié)構(gòu)從二維向三維變形的過程中,具體的形變形式與程度除了受加速電壓、掃描模式與劑量的影響(圖6)外, 還與結(jié)構(gòu)本身的拓?fù)湫蚊灿心蟮年P(guān)系.根據(jù)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的拓?fù)浞诸惛拍?從結(jié)構(gòu)拓?fù)湫蚊步嵌? 可以將納米剪紙分成“樹型”(tree-type) (也稱為“開環(huán)”(open-loop))和“閉環(huán)”(close-loop)型[64,65].

圖6 (a) FIB局域掃描紅色虛線、折疊懸臂的SEM圖[42]; (b) FIB全局輻照紅色虛線框內(nèi)區(qū)域?qū)е聭冶巯蛏蠌澢腟EM圖[42];(c)測(cè)量得到的不同加速電壓下懸臂梁折疊角與掃描劑量的關(guān)系[43]; (d)不同尺寸的懸臂在不同劑量FIB全局掃描下彎曲的SEM圖像[43]; (e)測(cè)量(點(diǎn)線)與計(jì)算(實(shí)線)得到的在加速電壓為30 kV時(shí)不同長(zhǎng)度懸臂梁的折疊角與掃描劑量的關(guān)系[43](比例尺：1 μm)Fig.6.Side-view SEM images of (a) rigid folding and (b) gradual bending of suspended cantilevers under local and global FIB irradiations, respectively, over the red areas [42]; (c) measured relationship between the cantilever folding angle and the scanning dose at different acceleration voltages[43]; (d) SEM images of different sizes of cantilever bending under FIB global irradiation with different dose[43]; (e) measured (dotted line) and calculated (solid line) relationship between the folding angle and the scanning dose at acceleration voltage of 30 kV[43] (Scale bars：1 μm).

圖7 “樹型”納米剪紙 (a)“樹型”-納米剪紙結(jié)構(gòu)示意圖; (b)—(f)“樹型”納米剪紙結(jié)構(gòu) SEM 圖像, 其中 (b), (c)為由 FIB 全局輻照得到的兩種花瓣型結(jié)構(gòu)[42,66]; (d)(f)為由FIB局域輻照得到結(jié)構(gòu)的SEM圖片, (d), (e)垂直矩形板陣列的側(cè)視圖和俯視圖[42];(f)多層平板結(jié)構(gòu)[42](比例尺：1 μm)Fig.7.Tree-type nano-kirigami：(a) Schematic of tree-type system; (b)-(f) SEM images of typical examples of 3D tree-type nanokirigami.(b), (c) Flower-like structures obtained by FIB global irradiation[42,66]; (d), (e) side-view and top-view of vertical plates standing along one edge of the planar metallic hole arrays[42]; (f) multilayer plate structure[42] (Scale bars：1 μm).

圖8 “閉環(huán)”納米剪紙[42,43] (a)“閉環(huán)”納米剪紙結(jié)構(gòu)示意圖; (b)-(d)由FIB局域輻照下“閉環(huán)”納米剪紙得到的三維納米結(jié)構(gòu)的SEM圖像[42]; (e), (g), (i)宏觀紙質(zhì)剪紙結(jié)構(gòu)照片及與其對(duì)應(yīng)的(f), (h), (j)通過FIB全局掃描“閉環(huán)”納米剪紙得到的三維納米結(jié)構(gòu)的 SEM 圖像[43] (比例尺：1 μm)Fig.8.Close-loop of nano-kirigami[42,43]：(a) Illustration of the close-loop system; (b)-(d) SEM images of 3D nano-kirigami with local FIB irradiation[42]; (e), (g), (i) camera images of the macroscopic paper kirigami; and (f), (h), (j) corresponding microscopic structures reproduced by close-loop nano-kirigami with global FIB irradiation[43] (Scale bars：1 μm).

在變形過程中, 樹型結(jié)構(gòu)的子結(jié)構(gòu)都是相對(duì)獨(dú)立的個(gè)體, 不會(huì)對(duì)其他模塊產(chǎn)生太大影響.圖7(a)是“樹型”納米剪紙結(jié)構(gòu)的示意圖, 黃色橢圓代表剪紙結(jié)構(gòu)中的子結(jié)構(gòu), 紅色圓形表示連接區(qū)域.當(dāng)其中一個(gè)子結(jié)構(gòu)受外力作用發(fā)生形變時(shí), 存在兩種不同的情況：若變形結(jié)構(gòu)位于末端, 則不會(huì)影響其他部分; 若前端結(jié)構(gòu)變形, 與之相連接的下級(jí)結(jié)構(gòu)會(huì)受前端結(jié)構(gòu)影響而發(fā)生變化, 但這種變化屬于線性傳遞過程, 相對(duì)位置不會(huì)發(fā)生變化.

圖9 各種形貌奇特的三維納米剪紙結(jié)構(gòu)在FIB全局掃描前后的頂視或側(cè)視SEM圖[43] (a) 斐波那契雙螺旋結(jié)構(gòu); (b), (c)窗花互連型納米柵欄; (d)不同劑量FIB輻照前后的螺旋結(jié)構(gòu); (e)雙層螺旋異質(zhì)結(jié)構(gòu)(比例尺：1 μm)Fig.9.Top-view and side-view SEM images of typical structures before and after global FIB irradiation[43]：(a) A twisted triple Fibonacci spiral; (b), (c) window-decoration type nanobarriers; (d) a deformable spiral; (e) a double-layer spiral structure (Scale bars：1 μm).

除了形變的拓?fù)湫蚊卜诸愅? 納米剪紙可按FIB輻照方式分成兩類, 一種是對(duì)樣品局部進(jìn)行區(qū)域掃描的局域掃描模式(圖6(a))[42], 另一種是對(duì)樣品整體區(qū)域進(jìn)行掃描的全局掃描模式(圖6(b))[42].局域掃描模式中薄膜材料只發(fā)生單一角度的折疊,容易受遮擋效應(yīng)的限制; 全局掃描則可以讓薄膜發(fā)生連續(xù)的曲率變化, 使結(jié)構(gòu)發(fā)生整體性的形變.例如, 在“樹型”納米剪紙方法中, 通過合理地運(yùn)用全局掃描(圖7(b)[66]和圖7(c)[42])或局域掃描(圖7(d)—(f))[42]方式, 可以讓FIB按設(shè)計(jì)好的順序掃描特定的區(qū)域而彎曲或折疊納米結(jié)構(gòu), 形成具有各種幾何形狀的三維結(jié)構(gòu).這種方法由于結(jié)構(gòu)在不同分支之間的形狀變換是相對(duì)孤立的, 非常適合加工具有規(guī)則幾何形狀的納米結(jié)構(gòu)陣列, 如圖7(d)和圖7 (e)[42]所示.事實(shí)上, 這種用FIB產(chǎn)生的“樹型”折疊或彎曲自2006年以來已經(jīng)在多個(gè)研究工作中得到體現(xiàn)[44,45,51,52,55,57-60,67,68].只是由于它們與傳統(tǒng)的立體剪紙形變方法相比相對(duì)簡(jiǎn)單, 沒有被意識(shí)到剪紙的概念, 為方便該領(lǐng)域工作的總結(jié)與介紹, 這里我們也將其歸入“樹型”納米剪紙的范疇.

與樹型結(jié)構(gòu)各形變部位之間相互獨(dú)立不同, 各部位互相關(guān)聯(lián)、嵌套的加工思路歸屬于“閉環(huán)”類型.如圖8(a)所示, 若離子束照射中間的子結(jié)構(gòu)使其發(fā)生形變, 與之相連的結(jié)構(gòu)都會(huì)受到影響而發(fā)生形變, 且形變的類型和程度均不相同, 最終導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)都會(huì)發(fā)生變化.這種單元形變相互關(guān)聯(lián)的特性充分體現(xiàn)了立體剪紙的內(nèi)在本質(zhì), 乃至可為四維制造提供額外的自由度[15].這種特性的發(fā)現(xiàn)是十分有意義的, 雖然在宏觀世界已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各領(lǐng)域, 但在納米尺度并未得到足夠的重視.為此,我們?cè)谶@里重點(diǎn)論述基于FIB的“閉環(huán)”納米剪紙概念.圖8(b)—(d)展示的是在FIB局域掃描模式下得到的一些復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的閉環(huán)折疊[42].可以看到并未受到FIB直接輻照的部分也發(fā)生了“被動(dòng)”變形, 反映了閉環(huán)結(jié)構(gòu)的固有特征.相較于局域掃描, 全局掃描納米剪紙技術(shù)可以誘導(dǎo)更先進(jìn)的閉環(huán)納米結(jié)構(gòu), 可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)曲率變換, 生成各種前所未有的三維特異結(jié)構(gòu)(如圖8(f)、圖8(h)、圖8(j)和圖9所示)[43].圖8(e)—(j)是一些典型的宏觀剪紙結(jié)構(gòu)和利用FIB全局輻照的閉環(huán)形變得到的相應(yīng)的三維納米結(jié)構(gòu)[43].可以看到, 納米剪紙將宏觀剪紙尺寸縮減到1/10000, 實(shí)現(xiàn)了高可塑性和高精確度的三維微納加工, 為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和進(jìn)一步研究提供了新穎的研究平臺(tái).

圖10 “閉環(huán)”納-米剪紙的形變特性[43] (a)葉片結(jié)構(gòu)、可擴(kuò)展網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和四臂風(fēng)車結(jié)構(gòu)在其二維前體受到相同F(xiàn)IB全局輻照后的SEM圖像; (b)(d) FIB全局輻照前后的二維前體和對(duì)應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)以及數(shù)值模擬的應(yīng)力形變結(jié)果, 其中 (b)花型結(jié)構(gòu),(c)蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu), (d) 可擴(kuò)展網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) (比例尺：1 μm)Fig.10.Feature of “closed loop” nano-kirigami[43]：(a) SEM images of a blade structure, expandable web and four-arm windmill fabricated together after the same global FIB irradiation; (b)-(d) SEM images of different web structures (left) before and (middle)after FIB irradiation; (b) a flower-like structure; (c) a spider web—like structure; (d) an expandable web structure; the simulation results after nano-kirigami is shown on the right (Scale bars：1 μm).

2.2.2 納米剪紙的形變特性

納米剪紙結(jié)構(gòu)具有豐富的形變特性, 例如, 在拓?fù)湫蚊驳囊龑?dǎo)下, 不同的二維圖案在向三維轉(zhuǎn)換的過程中發(fā)生形變的方式和程度不盡相同.圖8中(f)圖的可擴(kuò)展網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、(h)圖的葉片螺旋結(jié)構(gòu)和(j)圖的四臂風(fēng)車結(jié)構(gòu)在其前體二維圖案受到相同的FIB向下的全局輻照時(shí), 分別發(fā)生了向上屈曲、向下屈曲以及向上的屈曲和扭轉(zhuǎn)的綜合變形, 如圖10(a)所示[43].即使對(duì)于同一類形狀, 子結(jié)構(gòu)的尺寸、間距等因素也會(huì)影響形變效果.而且,即使形變方式相同, 形變程度也會(huì)不一樣.圖10(c)中的蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)和圖10(d)中的可擴(kuò)展網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在受到相同的FIB輻照時(shí), 均向下屈曲, 但蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的形變幅度明顯小于可擴(kuò)展網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[43].在圖11(a)和圖11(b)可以更清楚地看到, 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的深度達(dá)到 740 nm 時(shí), 蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)才向下屈曲了 218 nm[43].而且由于蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的徑向連接部分受到的應(yīng)力遠(yuǎn)大于其他位置, 而可擴(kuò)展網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布較為均勻, 因此當(dāng)FIB掃描劑量增加到某個(gè)臨界值時(shí), 蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)會(huì)先于可擴(kuò)展網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂, 如圖11(c)所示[43].

三維納米形變的不確定性給我們的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來一定的挑戰(zhàn), 但正是這種豐富的形變特性為各種新穎三維結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制備帶來無限可能.而且可以看到數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果幾乎完全一致,表明人們可以通過精確的預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)為實(shí)驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ).需要指出的是, 這些納米精度的、截然不同的形變方向、形變程度, 以及其原位、實(shí)時(shí)的加工特性, 是其他微納加工方法所無法實(shí)現(xiàn)的, 體現(xiàn)了納米剪紙所獨(dú)有的優(yōu)勢(shì).

圖11 數(shù)值模擬對(duì)結(jié)構(gòu)形變的精確預(yù)測(cè)與額外信息獲取[43] (a), (b)數(shù)值模擬蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)和可擴(kuò)展網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在相同F(xiàn)IB輻照下受力形變的側(cè)視圖和前視圖, 其中不同的顏色代表受到不同強(qiáng)度的應(yīng)力, 紅色區(qū)域承受的應(yīng)力最大(比例尺：1 μm); (c)兩種結(jié)構(gòu)承受相同F(xiàn)IB掃描后的SEM圖Fig.11.Additional information from numerical simulation for the accurate prediction of structural deformation[43]：(a), (b) Side and front view of the deformation and stress distribution of the spider web-like and the expandable web structure under the same initial stress in simulations; the different colors represent stresses of different strengths, and the red areas are subjected to the highest stress (Scale bars：1 μm); (c) SEM image of the two web structures after the same high-dose FIB irradiation.

3 納米剪紙三維結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性

3.1 法諾共振

基于FIB的“樹型”納米剪紙?jiān)谶^去十年中受到了一定的關(guān)注, 但大多數(shù)研究都將其潛力集中在形狀轉(zhuǎn)換或機(jī)械應(yīng)用上.在光學(xué)方面, 崔阿娟等在2015年首先研究由豎直開口諧振環(huán)與平面金屬孔組成的陣列結(jié)構(gòu)(MH-VSRR陣列結(jié)構(gòu))的光學(xué)特性(圖12(a)和圖12(b))[57], 之后通過利用它們之間獨(dú)特的三維電導(dǎo)耦合機(jī)制[58], 成功激發(fā)了其在近紅外波段顯著的且具有魯棒性的Fano共振.為了實(shí)現(xiàn)Fano共振之間的強(qiáng)耦合, 我們利用FIB設(shè)計(jì)由圖12(c)所示的非對(duì)稱(兩臂不等高) MH-VSRR陣列單元排列組成的陣列結(jié)構(gòu), 讓共振模式一分為二, 形成兩個(gè)獨(dú)立的共振模式, 進(jìn)一步通過模式之間的耦合作用, 在單一結(jié)構(gòu)體系中得到三重Fano共振F1、F2和F3, 并清楚地觀察到了Fano共振間的強(qiáng)耦合作用(表現(xiàn)為拉比劈裂)(圖12(d)—(f))[60].另外, 通過使用基于 FIB的“樹型”納米剪紙技術(shù)在金屬孔兩側(cè)構(gòu)建垂直雙板結(jié)構(gòu)(圖13(a)),成功激發(fā)了具有二向色性的五重Fano共振[61].這對(duì)于探索類似系統(tǒng)中的基礎(chǔ)物理、增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用、光學(xué)傳感與探測(cè)等方向[69]都具有重要的參考價(jià)值.

3.2 光學(xué)手征體

圖12 具有 Fano 共振的“樹型”納米剪紙 [57,60] (a), (b)近紅外波段 Fano 共振及超-靈敏折射率傳感特性 [57], 其中 (a) MHVSRR陣列結(jié)構(gòu)的SEM圖及(b)測(cè)得的結(jié)構(gòu)在空氣和折射率為1.3的油中的透射譜; (c)(e)納米剪紙結(jié)構(gòu)中多重Fano共振間的強(qiáng)耦合作用[60], 其中(c)不對(duì)稱MH-VSRR單元結(jié)構(gòu)圖及(d)結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的透射光譜, 可以看到三重Fano共振F1, F2和F3;(e)固定左臂、改變右臂高度時(shí)MH-VSRR結(jié)構(gòu)透射譜; (f)結(jié)構(gòu)吸收譜與右臂高度的關(guān)系圖, 理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得非常好Fig.12.Tree-type nano-kirigami structures with Fano resonances[57,60]：(a) SEM images of MH-VSRR[57]; (b) measured transmission spectra of the MH-VSRR array in air and oil; (c) schematic of the unit cell of a 3D asymmetric MH-VSRR[60]; (d) simulated transmission spectra of the asymmetric MH-VSRR array[60]; (e) simulated transmission spectra of the VSRR with the same left arm but variable right arm as noted; (f) colormap of the simulated absorption spectra versus the height of the right arm; the calculated(dashed lines) and measured data (stars) agree very well.

以上應(yīng)用主要基于局域掃描模式的“樹型”納米剪紙結(jié)構(gòu), 與之相比, 全局掃描的“閉環(huán)”納米剪紙技術(shù)構(gòu)建的結(jié)構(gòu)具有更豐富的三維彎曲和扭轉(zhuǎn)特點(diǎn), 為設(shè)計(jì)新穎三維光學(xué)結(jié)構(gòu)提供了更多可能性.通過“閉環(huán)”納米剪紙的扭曲形變, 可實(shí)現(xiàn)三維光學(xué)手征特性[43,66].手征特性是指一個(gè)結(jié)構(gòu)沒有任何鏡面對(duì)稱的特性, 即結(jié)構(gòu)與其鏡像不能通過平移、縮放和旋轉(zhuǎn)等變換而重合的特性.自然界中存在很多具有手征特性的物體, 比如蛋白質(zhì)分子、石英等.與在二維結(jié)構(gòu)(指沿厚度方向結(jié)構(gòu)沒有變化)中觀測(cè)到的外在光學(xué)手性[70,71]不同, 具有內(nèi)稟手征特性的結(jié)構(gòu)通常存在于三維結(jié)構(gòu)中, 而人工微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)手性響應(yīng)相比于自然界材料高出好幾個(gè)數(shù)量級(jí)[71-74].由于光學(xué)手性的物理根源是電極矩和磁極矩在平行方向上的交叉耦合[75], 所以具有扭轉(zhuǎn)特性的三維結(jié)構(gòu)(如螺旋結(jié)構(gòu))是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)光學(xué)手征特性較為理想的結(jié)構(gòu)類型.但納米量級(jí)的三維螺旋結(jié)構(gòu)制備起來比較困難, 很多高精度工藝如激光直寫輔助電鍍方法、FIB輔助沉積等需要嚴(yán)格的條件和嫻熟的操作, 因此只有為數(shù)不多的幾個(gè)課題組擁有這些技術(shù); 同時(shí), 這些方法在制備速度、材料選擇、襯底選擇、工藝兼容等方面存在一定的局限性.因此, 三維螺旋結(jié)構(gòu)的研究工作局限在少數(shù)幾個(gè)方面.我們將傳統(tǒng)的螺旋結(jié)構(gòu)垂直交叉并進(jìn)一步演化變形, 設(shè)計(jì)得到一種三維風(fēng)車結(jié)構(gòu),如圖14(a)所示[43].當(dāng)偏振方向沿x方向的線偏振光垂直入射時(shí), 由于結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn), 電場(chǎng)分量Ex可以在x方向引起平行的電極矩px和磁極矩mx, 磁場(chǎng)分量Hy會(huì)激發(fā)沿y方向平行的電極矩py和磁極矩my, 而且感應(yīng)電磁矩的方向高度依賴于風(fēng)車結(jié)構(gòu)四臂的左手 (left-handed, LH)或右手 (righthanded, RH)扭曲, 從而產(chǎn)生左手或者右手手性的光學(xué)響應(yīng), 如圖14(b)和圖14(c)中的第一列所示[43].圖14(b)和圖14 (c)中的第二列展示了不同手性結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖, 可以看到由于結(jié)構(gòu)扭曲帶來的等效環(huán)形電流以及產(chǎn)生的電極矩和磁極矩方向[43].由于光學(xué)手性取決于p·m的值[76], 所以相互平行的電極矩和磁極矩之間的強(qiáng)相互作用可以誘導(dǎo)產(chǎn)生非常顯著的光學(xué)手性.圖14(b) 和圖14 (c)所示的風(fēng)車結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向上的扭曲使得平行或反平行的電磁矩被引入并相互作用[72], 從而產(chǎn)生了較大的內(nèi)稟光學(xué)手性[43].

圖13 具有超強(qiáng)圓二色性的五重 Fano共振[61] (a)基于豎直金屬板的超材料 (DPMM)結(jié)構(gòu)加工示意圖; (b), (c) FIB局域掃描制備的DPMM 陣列結(jié)構(gòu)的側(cè)視和頂視SEM 圖像(比例尺：2 μm); (d)模擬的DPMM陣列圓二色譜與h3的關(guān)系圖; (e) h3取1.9 μm,y偏振入射時(shí)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)得到的透射譜; (f)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的h3取1.9 μm時(shí)的CD譜Fig.13.Five-fold Fano resonance with significant circular dichroism[61]：(a) Schematic diagram of the processing of DPMM; (b),(c) SEM images of DPMM structures prepared by FIB local irradiation (Scale bars：2 μm); (d) diagram of the relationship between CD and h3 of simulated DPMM; (e) calculated and experimental transmission spectra for the DPMM with h3 = 1.9 μm and y-polarized incidence; (f) experimental CD spectra of the DPMM in (e).

3.2.1 圓二色特性和圓雙折射特性

從本質(zhì)上講, 納米剪紙構(gòu)建的三維風(fēng)車結(jié)構(gòu)由于打破了其形變前二維結(jié)構(gòu)的鏡面對(duì)稱性而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)手性(LH或RH).而要獲得光頻波段的光學(xué)手性響應(yīng), 還要使同一結(jié)構(gòu)對(duì)不同手性的圓偏振光具有不同的折射率(其差值可表示為χ=(nR-nL)/2).其中χ的虛部導(dǎo)致結(jié)構(gòu)對(duì)左旋或右旋圓偏振光具有不同的吸收, 即產(chǎn)生圓二色性(circular dichroism,CD), 體現(xiàn)為透射光譜的差異;χ的實(shí)部導(dǎo)致二者產(chǎn)生相位差, 即圓雙折射特性(circular birefringence,CB), 體現(xiàn)為對(duì)入射線偏振光的偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng).圖14(g)和圖14(h) 表征了納米剪紙結(jié)構(gòu)光學(xué)手征特性的測(cè)量結(jié)果[43], 可以看到, 圖14(e)中的二維結(jié)構(gòu)沒有任何圓二色性和圓雙折射特性, 相比之下, 圖14(f)中的三維風(fēng)車結(jié)構(gòu)則不僅有著明顯的圓二色性, 而且表現(xiàn)出非常強(qiáng)烈的圓雙折射特性.在大于陣列周期的波段, 垂直入射的線偏振光的偏振方向會(huì)出現(xiàn)明顯的偏轉(zhuǎn), 隨著波長(zhǎng)增大偏振旋轉(zhuǎn)的角度逐漸增大.波長(zhǎng)在 1.7 μm和 1.95 μm處時(shí),在保持線偏振態(tài)的同時(shí)其偏振方向分別偏轉(zhuǎn)90°和 135°.三維風(fēng)車結(jié)構(gòu)整體的厚度約為 0.43 μm(包括襯底), 由圓雙折射效應(yīng)引發(fā)的線偏振方向偏轉(zhuǎn)可達(dá) 310000°/mm, 如圖14(h)所示, 超過已報(bào)道的手征超構(gòu)材料和同類的二維平面納米結(jié)構(gòu)[43].其實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果相吻合, 充分證明利用納米剪紙技術(shù)實(shí)現(xiàn)的三維扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)可用于構(gòu)建具有優(yōu)異特性的光學(xué)超手征體.與在其他波段(THz、GHz、中紅外)通過堆疊或扭轉(zhuǎn)工藝設(shè)計(jì)的手性結(jié)構(gòu)相比, 納米剪紙技術(shù)不僅能夠保證結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性, 還可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易、高精度的加工流程, 更重要的是, 結(jié)構(gòu)的工作波長(zhǎng)可被調(diào)節(jié)到近紅外通信波段.

圖14 “閉環(huán)”納米剪紙光學(xué)超手征特性[43] (a)從螺旋結(jié)構(gòu)到三維風(fēng)車結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)演化示意圖; (b), (c) LH 風(fēng)車結(jié)構(gòu)和 RH 風(fēng)車結(jié)構(gòu)對(duì)入射光電場(chǎng)分量Ex和磁場(chǎng)分量Hy響應(yīng)的示意圖; (d), (e)三維風(fēng)車結(jié)構(gòu)及二維前體SEM圖像, 晶格周期為1.45 μm;(f) LH及RH三維風(fēng)車結(jié)構(gòu)SEM頂視圖; (g)二維LH、三維LH和三維RH結(jié)構(gòu)透射的CD譜; (h)不同波長(zhǎng)處三維風(fēng)車結(jié)構(gòu)的線偏振旋轉(zhuǎn)極坐標(biāo)圖Fig.14.Close-loop nano-kirigami with giant optical chirality[43]：(a) Schematic of a vertical helix array, horizontal cross-linked helices and a 3D pinwheel array; (b), (c) illustrations of the response to the electric field (Ex) and magnetic field (Hy) of incident light for the left-handed (LH) and right-handed (RH) twisted pinwheels, respectively; (d), (e) SEM images of LH pinwheel arrays(e) before and (d) after global FIB irradiation; lattice period：1.45 μm; (f) SEM images of the LH and RH pinwheel structure;(g) measured CD in transmission versus wavelength for 2D LH, 3D LH, and 3D RH pinwheels, respectively; (h) measured and calculated linear polarization rotation angle versus wavelength for 2D and 3D LH pinwheels.

3.2.2 衍射型偏振轉(zhuǎn)換效應(yīng)

圖15 “閉環(huán)”納米剪紙超構(gòu)表面[66] (a)不同手性結(jié)構(gòu)交叉偏振透射相位光譜; (b)由不同手性風(fēng)車結(jié)構(gòu)交替排列組成的二元線性光柵 (比例尺：1 μm); (c)由不同手性風(fēng)車結(jié)構(gòu)交替排列組成的圓形二元光柵的 SEM 圖 (比例尺：10 μm); (d) 線性二元光柵對(duì)透射光偏振調(diào)制示意圖; (e)不同波長(zhǎng)和探測(cè)偏振下二元線性光柵透射實(shí)驗(yàn)照片, 入射光為x偏振; (f)-(h)二元線性光柵對(duì)圓偏振光的調(diào)制; (i)-(m)不同波長(zhǎng)和探測(cè)偏振下的圓形二元光柵的實(shí)驗(yàn)照片(比例尺：10 μm)Fig.15.Metasurface by “closed-loop” nano-kirigami[66]：(a) Transmission phase spectra of Ey for LH and RH pinwheels, respectively;(b) top-view SEM image of a linear grating in which the LH and RH pinwheels are fabricated alternately along the x-direction; scale bar, 1 μm; (c) top-view SEM image of a circular grating; scale bar, 10 μm; (d) schematic of the diffraction properties of the linear grating; (e) CCD camera images of the transmitted light spots at different wavelengths under detection with no polarization (np),x-polarization (xp), and y-polarization (yp), respectively; (f)-(h) CCD images of the spots of the diffracted (left) RCP and (middle)LCP beams under the illumination with LCP, RCP and x-polarized incident light, respectively; (i)-(m) photographs of circular binary gratings at different wavelengths (Scale bars：10 μm).

研究還發(fā)現(xiàn), 當(dāng)x方向偏振光入射時(shí), 對(duì)于LH和RH三維風(fēng)車結(jié)構(gòu), 透射的y方向偏振光具有固定的π相位差(圖15(a)), 因此對(duì)其進(jìn)行交替排列就能構(gòu)建性能優(yōu)異的超構(gòu)表面衍射光柵(圖15(b))[66].由于風(fēng)車結(jié)構(gòu)的偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)只有在波長(zhǎng)大于周期時(shí)才適用, 因此衍射光線只有對(duì)稱的兩支, 圖15(e)中二元光柵工作的實(shí)驗(yàn)照片很好地驗(yàn)證了這些特征[66].例如結(jié)構(gòu)在波長(zhǎng)為1.6 μm時(shí)具有較強(qiáng)的偏振轉(zhuǎn)換特性,x和y偏振均存在透射, 且測(cè)得的y偏振光和沿入射方向徑直傳播的x偏振光并不重合, 說明發(fā)生了衍射效應(yīng); 在無偏振旋轉(zhuǎn)的1.2 μm波長(zhǎng)處, 只有徑直傳播的x偏振光, 沒有任何衍射的y偏振光; 而在發(fā)生90°偏振旋轉(zhuǎn)的1.68 μm波長(zhǎng)處, 入射光全部轉(zhuǎn)換為出射的y偏振光, 因此只記錄到衍射光斑.在線性二元光柵結(jié)構(gòu)中, 衍射偏振轉(zhuǎn)換效應(yīng)不僅僅針對(duì)于入射線偏振光, 也適用于圓偏振光(如圖15(f)—(h)所示)[66].圓偏振光通過交替的不同手性結(jié)構(gòu)時(shí), 所產(chǎn)生的相位差為線偏振偏轉(zhuǎn)角度的兩倍[66].值得一提的是, 除了由衍射產(chǎn)生的x方向的位移之外, 衍射光斑在y方向也發(fā)生了輕微的位移.當(dāng)入射光為L(zhǎng)CP、接收光為RCP時(shí)產(chǎn)生的位移方向, 與RCP入射、LCP出射的情況相反(圖15(f)和圖15((g)).由于相位調(diào)制僅沿著x方向, 而光斑的位移發(fā)生在y方向上, 因此這種奇妙的現(xiàn)象非常類似于光子的自旋-軌道角動(dòng)量耦合的PSHE[77-79].其背后的物理機(jī)理是, 沿x方向劇烈的相位變化破壞界面的軸對(duì)稱性, 使得衍射光沿著一條彎折的軌跡傳輸[66],為了滿足角動(dòng)量守恒, 其偏折的方向會(huì)隨著入射光手性而發(fā)生變化.因此, LCP→RCP和RCP→LCP的自旋-軌道角動(dòng)量耦合使得圓偏光在垂直于相位梯度方向的傳輸路徑發(fā)生改變, 從而引起相反手性的光在y方向上出現(xiàn)相反的位移, 如圖15(f)—(h)所示[79,80].

上文中所提及的三維風(fēng)車結(jié)構(gòu), 是由具有C4對(duì)稱性的元胞排列而成, 所以當(dāng)沿z方向的光線垂直入射時(shí), 結(jié)構(gòu)會(huì)引起具有單軸特性的偏振和相位發(fā)生變化.因此, 左手和右手風(fēng)車結(jié)構(gòu)的分布可以靈活配置.如果把左旋結(jié)構(gòu)和右旋結(jié)構(gòu)沿徑向交替排列, 還可以構(gòu)建出徑向二元光柵(圖15(c)、圖15(i)—(m))[66].這種偏振和相位特性可以引入到偏振不敏感的超表面的設(shè)計(jì)之中.由此可見, 納米剪紙三維形變?yōu)椴倏毓獾恼穹?、相位、偏振、手性等特性提供了一種新的技術(shù)途徑.

4 結(jié)論和展望

綜上所述, 納米尺度的剪紙和折紙技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)豐富的三維功能結(jié)構(gòu), 正發(fā)展成為一門新興的研究領(lǐng)域.我們從傳統(tǒng)剪紙工藝出發(fā), 介紹和總結(jié)了一種基于納米剪紙的三維微納制造技術(shù).這種技術(shù)采用高劑量的FIB作為“剪裁”手段, 低劑量的離子束掃描作為“形變”手段, 實(shí)現(xiàn)了豐富的三維結(jié)構(gòu)變換; 采用雙層應(yīng)力分布模型, 精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)了FIB輻照下結(jié)構(gòu)的變形過程; 按照離子束輻照方式的不同, 將納米剪紙歸納為局域掃描和全局掃描制備方式; 根據(jù)二維平面圖案的拓?fù)湫蚊膊煌? 將以往基于FIB的連續(xù)折疊/彎曲的研究總結(jié)為“樹型”納米剪紙, 將近期基于拓?fù)湫蚊惨龑?dǎo)的三維納米結(jié)構(gòu)形變歸納為“閉環(huán)”納米剪紙, 并對(duì)各類型的工藝特性和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析對(duì)比.進(jìn)一步使用多種類型的納米剪紙方法制造了多功能、前所未見的三維納米幾何結(jié)構(gòu).最后, 對(duì)這些納米剪紙結(jié)構(gòu)的光子學(xué)應(yīng)用進(jìn)行了介紹, 包括多重Fano共振及其強(qiáng)耦合作用, 超光學(xué)手性, 超構(gòu)表面衍射、相位和偏振特性, 以及類光子自旋霍爾效應(yīng)效應(yīng)等.

通過這些初步的介紹和總結(jié)可以發(fā)現(xiàn), 基于FIB的三維納米剪紙技術(shù)具有如下特點(diǎn)：1)其加工的對(duì)象需要是懸空的薄膜材料, 無需襯底支撐,目前測(cè)試成功的材料廣泛, 包括金、銀、鋁、硅、氮化硅等(對(duì)于非導(dǎo)電薄膜, 需要預(yù)涂敷或加鍍一層超薄的導(dǎo)電材料), 厚度在 50—100 nm, 如商用的各類薄膜窗口 (Norcada, film window); 2)納米剪紙結(jié)構(gòu)的最小特征尺寸由FIB系統(tǒng)的加工精度決定, 并考慮到三維形變的穩(wěn)定性, 其最小精度為50 nm; 3)納米剪紙圖案的拓?fù)錁?gòu)型對(duì)結(jié)構(gòu)的三維形變起到了至關(guān)重要的作用, “閉環(huán)”構(gòu)型能夠產(chǎn)生比“樹型”結(jié)構(gòu)更為豐富的三維幾何結(jié)構(gòu), 拓?fù)湫蚊才c三維形變對(duì)應(yīng)的物理演化模型還有待進(jìn)一步探索.

與此同時(shí), 基于FIB的三維納米剪紙技術(shù)也存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)：1)當(dāng)前工藝不適用于非懸空薄膜材料, 如較厚的薄膜或者與較厚襯底結(jié)合的薄膜; 2)其制備的樣品高度由二維前體的圖案決定,在高度方向上擴(kuò)展的空間有限; 3)基于FIB的納米剪紙需要樣品具有一定的導(dǎo)電性, 加工速度較慢;4)納米剪紙三維形變的演化與設(shè)計(jì)亟待建立有效的理論模型.針對(duì)這些挑戰(zhàn), 研究團(tuán)隊(duì)正在非懸空薄膜材料(如商用氧化硅襯底)、大面積快速加工(如電子束曝光、紫外曝光工藝)等方面開展突破性研究, 并基于三維納米剪紙結(jié)構(gòu)特征, 開展新型納米光子器件的應(yīng)用探索.

總之, 納米剪紙技術(shù)可以使二維平面圖案通過形變、原位構(gòu)建三維立體結(jié)構(gòu), 從而克服傳統(tǒng)自上而下、自下而上、自組裝等方法在幾何形貌等方面的局限, 為三維微納加工提供一種新的概念和思路, 可望用來制備新奇的三維納米幾何結(jié)構(gòu), 在納米光子學(xué)、光力學(xué)、微納機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛能.例如, 納米剪紙包含從二維平面到三維立體結(jié)構(gòu)的物理形變, 本質(zhì)上具有可逆的結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 其懸空的三維結(jié)構(gòu)具有天然的可調(diào)諧特性, 有望為光學(xué)傳感、力學(xué)傳感、生物醫(yī)學(xué)傳感、動(dòng)態(tài)光學(xué)顯示、柔性材料轉(zhuǎn)移等領(lǐng)域帶來一些新的應(yīng)用機(jī)制.

感謝華南理工大學(xué)李志遠(yuǎn)教授, 美國(guó)麻省理工學(xué)院方絢萊教授和杜匯豐博士, 中國(guó)科學(xué)院物理研究所微加工實(shí)驗(yàn)室的劉哲博士、李無瑕副研究員、李俊杰研究員、顧長(zhǎng)志研究員、楊海方研究員、金愛子和全保剛副主任工程師, 中國(guó)科學(xué)院物理研究所光物理實(shí)驗(yàn)室的陸凌研究員、劉榮鵑副研究員、田喜敏博士、張東香研究員、馮寶華研究員和張秋琳高級(jí)工程師, 北京理工大學(xué)物理學(xué)院王榮瑤教授、張向東教授、姚裕貴教授等的支持與合作.