1.背景介紹

基于納米材料的高性能、多功能、可穿戴新型器件是後摩爾時代微電子領域的重要發展方向之一。諸多理論及實驗研究表明，對單個納米材料進行彎曲、折疊、扭轉，或對多個納米材料進行連接、裝配、排列等，可獲得具有特殊性能的納米結構，為實現高性能及柔性納米器件研制提供了新的方向。納米操作技術作為一種“自下而上”操縱納米材料的重要手段，由于具有微納米級别的操作精度，被應用于納米材料性能測試、納米結構制造與裝配、納米光學等領域。同時該技術與電子束誘導沉積、激光焊接、電子束輻照等相結合，可以實現納米材料的摻雜、焊接、裝配等。因此，納米操作技術及其裝備也成為了新型納米器件研發的關鍵。

2.關鍵技術進展

納米操作技術種類繁多，一種是依托具有納米級成像精度的顯微鏡的操作技術。例如，掃描探針顯微鏡（Scanning Probe Microscope，SPM）、電子顯微鏡（Electron Microscope，EM）。該類方法借助顯微鏡的成像系統，通過控制高精度運動模塊，利用探針、鑷子等工具對納米材料進行操作。另外，通過控制光場、磁場、聲場等，使位于能場作用範圍的納米材料移動、旋轉等，如光鑷、磁鑷、聲鑷等。目前，基于SPM、EM的操作技術和光鑷技術在納米材料操作及器件制造方面占據重要地位。

2.1 基于SPM的納米操作技術

由于SPM具有高精度運動模塊和反饋系統，因此通過控制探針的運動不僅可以獲得納米材料三維位置信息，也可以推移尺寸小至十幾納米的顆粒，實現高精度操作。然而，在典型的SPM操作中單個探針難以同時進行成像及操作工作，因此在操作過程中缺乏實時成像信息導緻的低成功率是該方法面臨的主要問題。目前主要解決方法包括，優化成像及操作策略以預測或獲得被操作對象運動軌迹、增加視覺反饋系統、建立雙探針操作/成像系統等，如圖1(a)、(b)；同時通過改進操作策略也有利于進一步提高操作成功率及操作效率，如圖1(c)所示的虛拟納米手策略。另外由于探針的運動自由度少、靈活度低等不足，該技術難以實現三維複雜操作。為拓寬該技術在納米器件制造中的應用，如圖1(d)~(f)：Xie等提出了利用雙探針夾持、拾取、放置納米線；Park等利用圓形槽基底，進行了Au納米球的三維堆疊；Chen等則利用掃描隧道顯微鏡對石墨烯沿着指定方向進行折疊和展開操作，實現了基于SPM的簡單三維操作。

圖1 基于SPM的納米操作及應用。（a）同步視覺引導的操略；（b）雙探針操作/成像系統；（c）虛拟納米手操作策略；（d）雙探針搬遷納米線；（e）Au納米球三維堆疊；（f）石墨烯折疊；（g）等離子激元結構裝配；（h） 量子點與納米顆粒裝配；（i）納米線電路制造

基于SPM的納米操作技術以其較高的操作精度和高精度反饋系統，可主要用于納米材料的性能測試及調控，包括材料力學測試、電學性能測試、材料形變等。并且通過操作量子點、納米顆粒、納米立方體等，進一步構建具有特殊性能的納米結構，如圖1(e)、(h)。另外，通過結合SPM操作技術與納米焊接技術，可以實現納米器件電路結構的制造，如圖1(i)。

2.2 基于EM的納米操作技術

為獲得操作過程中的實時視覺信息，以EM作為視覺系統，通過在EM内部建立納米操作平台，如圖2(a)、(b)，極大地提高操作靈活度和成功率。該技術靈活度高、操作空間大，具有實時視覺反饋，有利于實現納米材料的三維複雜操作及納米結構的裝配，包括納米線的彎曲、納米顆粒的堆疊、納米針尖的裝配等，如圖2(c)~(e)。然而基于EM的納米操作面臨着兩個重大挑戰。一方面，操作系統對EM的換樣效率、成像精度帶來負面影響；同時真空環境、電子束輻照對材料的損傷也限制了其應用。因此國内外諸多研究者先後研發了多種納米操作平台，提高了操作平台與EM的兼容性。另一方面，EM成像僅能獲得高精度的二維位置信息，因此難以控制探針與被操作對象在深度方向的相對位置，降低了操作成功率。為解決深度信息獲取問題，研究者們提出了測量焦距差值法、采用震動式壓電探針、建立激光反饋系統、增加壓電傳感器，如圖2(f)所示。

圖2 基于ERM的納米操作及應用。（a）多探針納米操作機器人；（b）單探針納米操作平台；（c）碳納米管彎曲；（d）納米顆粒的堆疊；（e）納米針尖的組裝；（f）納米操作平台中的壓電傳感器；（g）納米線與電極的互連；（h）場效應晶體管的制備

由于基于EM的納米操作技術主要優勢是易于實現較為複雜的三維操作，因此該方法适于納米材料的拉伸、彎曲、力學及電學性能測試等。并且通過與其他制造加工技術結合，可對單個納米材料進行制造加工。例如，借助電子束誘導沉積技術實現納米線互之間連以及納米線與電極之間互連，實現了納米結構以及場效應晶體管的制造等，如圖2(g)、(h)所示。

2.3 光鑷技術

光鑷技術是一種非接觸式的操作方法，避免了操作工具被操作對象直接接觸，減少了對被操作對象的損傷。按照使用的光源不同，光鑷可分為遠場光鑷和近場光鑷。遠場光鑷主要是利用光束整形技術形成不同類型的光學勢阱，進而捕獲納米材料，同時實現納米線的旋轉，如圖3(a)、(b)。近場光鑷能夠突破衍射極限，更适合高精度納米材料。目前，對于近場光鑷的研究主要集中于探索不同的近場增強方法，以提高對材料的捕獲力。如圖3(c)~(f)所示，采用同軸光闌結構、一維光子晶體諧振器結構、二維等離子基元光學晶格結構、雙納米孔結構等不僅可以增大捕獲力，同時也可以提高捕獲剛度。基于近場光鑷，也可以實現納米材料的加工，如哈爾濱工業大學王揚課題組利用激光輻照AFM探針針尖産生近場光，實現了納米顆粒的操作以及納米線的互連。為進一步拓寬光鑷技術的應用範圍，在穩定捕獲被操作對象後，還需要進一步實現被操作對象的高精度、大範圍運動，因此利用光纖探針的操作方法被提出。通過在光纖探針末端加工反射斜面、錐形結構、中空結構、蝴蝶結狀孔結構等可以形成穩定的三維光學勢阱，使探針末端可以捕獲納米材料，如圖3(g)~(i)所示。

圖3 光鑷技術及應用。（a）納米線旋轉；（b）空氣中捕獲納米顆粒；（c）同軸光闌結構；（d）一維光子晶體諧振器結構；（e）二維等離子基元光學晶格結構；（f）雙納米孔結構；（g）光纖探針末端反射斜面；（h）中空式光纖探針；（i）光纖探針末端蝴蝶結狀孔結構

3.總結與展望

基于SPM的操作技術借助高精度的力反饋系統，可以對尺寸小至幾十納米的材料進行高精度操作。然而，由于缺乏高精度的實時視覺反饋使操作效率降低。同時該方法也僅能實現較小範圍的、簡單的三維操作，難以進行大尺寸複雜納米結構的構建。基于EM的操作技術最大優勢是可對操作過程進行實時視覺監測，并利用多個操作工具靈活、協調地工作，輕松實現了複雜三維納米操作。但由于EM的真空環境、電子束輻照等，使其難以對無法承受高真空及電子束輻照的材料進行操作。另外，相比于SPM，該方法無法獲得材料及探針高精度的三維位置信息，操作精度較低。光鑷技術作為一種非接觸的操作方法，減小了操作過中對納米材料的破壞。同時通過控制光的作用範圍、強度等可以有效地操作幾納米的顆粒。但由于光對納米材料的力的作用較小，且操作環境多為溶液，因此其應用範圍受到了極大限制。在納米器件方面，基于SPM、EM的操作逐漸被應用于納米結構制造及器件研發，包括納米材料性能測試及調控、多個納米材料的裝配、納米結構的制造等，有利于實現高性能器件的研發。光鑷技術目前主要被用于納米材料的捕獲及有限移動，并逐漸向大範圍、高精度的三維操作方面發展，因此光鑷技術也逐漸被用于納米制造及器件研發。三種納米操作技術在适用對象、應用範圍、操作效果等方面各有優勢，但同時也存在各自亟待解決關鍵技術問題及科學問題。因此，發展集成式的操作方法及系統，實現多種操作方法優勢互補，也是未來納米操作技術發展的重要方向。

全文鍊接：王根旺, 管延超, 王揚, 丁烨, 楊立軍. 納米操作技術研究及應用進展[J]. 中國激光, 2021, 48(8): 0802018

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