华中科大曾双双团队纳米图案化技术新进展

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华中科技大学集成电路学院曾双双教授团队，与加拿大阿尔伯塔大学Tian Tian教授及瑞士苏黎世联邦理工学院Chih-Jen Shih教授团队合作，创新开发出适用于多种材料的纳米图案化新技术。该研究成果于2025年4月11日在《自然-通讯》（Nature Communications）上发表，题为《利用分子束全息光刻技术实现复杂三维表面的直接纳米图案化与自对准超晶格结构的构建》（Direct nanopatterning of complex 3D surfaces and self-aligned superlattices via molecular-beam holographic lithography），华中科技大学集成电路学院为论文的首要完成单位。

传统光刻技术通常依赖光刻胶模板，通过刻蚀或剥离工艺来完成图案转移，工艺复杂，且在多材料体系中常受材料兼容性限制。虽然一些现有的直接图案化方法简化了流程，但在构建复杂结构或实现高精度对准方面仍面临挑战。

本研究提出了一种基于分子束莫尔干涉效应的新型图案化策略，称为“分子束全息光刻技术”。这种方法无需光刻胶，能够对任何可蒸发的材料（如金属、氧化物和有机半导体等）直接形成高分辨率的纳米图案，并可应用于复杂的三维表面和超晶格结构的构建。其核心原理是通过精确控制材料束流穿过纳米掩膜时的投影角度，使其在衬底上形成类似于干涉光刻中相干激光束干涉的图案，从而实现高精度的自对准与纳米结构控制。

图1. 分子束全息光刻工作示意图

通过控制沉积过程中的倾斜角度，不同角度穿过掩膜结构的分子束可以形成一维沉积叠加，产生如图所示的莫尔图案。

图2. 一维沉积叠加获得的莫尔图案

通过协调调整沉积过程中的倾斜角度和旋转角度，并结合我们自主开发的计算光刻算法，可以实现二维沉积叠加，从而形成如下图所示的复杂三维表面。

图3. 二维沉积叠加获得的复杂三维表面

利用分子束全息光刻的自对准特性，我们成功实现了多种材料图案的自对准叠加，构建了从二元到五元的超晶格结构，其关键尺寸和图案叠加精度分别达到约50纳米和2纳米的水平。

图4. 不同材料沉积形成的自对准超晶格结构

该工艺有望显著拓展材料组合的界限，为在任意基底上高通量制备具有平移对称性的复杂超结构提供可能，从而推动新兴纳米成像、传感、催化与光电子器件的发展。

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