【引言】
六方氮化硼（hBN）單晶納米片的原子平滑表面，為光電應用領域帶來了革命性的突破。在納米光學方面，hBN的強非線性、雙曲線色散和單光子發(fā)射等特性，為相應的光學和量子光學器件帶來一些性能。在納米電子學領域，良好的物理，化學穩(wěn)定性和較寬的禁帶，使hBN成為二維電子器件的關鍵材料。目前，對hBN的研究重點局限于二維扁平結(jié)構(gòu)，尚未涉其3D立體結(jié)構(gòu)對性能的影響。如果能根據(jù)需求對hBN納米片的高度做出相應調(diào)整，將為下一代光電器件中調(diào)節(jié)光子流，電子流和激子流等性能提供一個有效的方法。
【成果簡介】
近日，Norris教授課題組利用3D納米直寫技術(shù)和反應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)在光電子器件研究領域尚屬次。得意于3D納米結(jié)構(gòu)高速直寫機（NanoFrazor）在光刻膠上能實現(xiàn)亞納米精度的加工，Norris教授課題組運用該方法制備了光電子學相板、光柵耦合器和透鏡等元件。獲得的元件通過后續(xù)組裝過程制備成高穩(wěn)定、高質(zhì)量的光學微腔結(jié)構(gòu)。隨后，通過縮小圖形長度比例的方法，引入電子傅里葉曲面，在hBN上實現(xiàn)復雜的高精度微納結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)了NanoFrazor在3D納米加工領域的潛力。
【圖文導讀】
圖1. 使用NanoFrazor制備hBN納米3D結(jié)構(gòu)流程圖
（a）左圖為利用NanoFrazor在光刻膠表面上實現(xiàn)3D結(jié)構(gòu)制備，右圖為通過反應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。黑色代表圖形的至高處，白色為至低處；（c）光刻膠上的Mandelbrot分形圖案通過圖（a）中的過程轉(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. 利用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)為準備的高密度圖形樣圖，右側(cè)為通過NanoFrazor將高密度圖形轉(zhuǎn)移到hBN后的實際結(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. 利用NanoFrazor制備的hBN光學微納元件
（a）在130 nm厚hBN上制備螺旋相位板陣列的光學表征結(jié)果；（b）單個螺旋相位板的AFM結(jié)果；（c）具有球形輪廓的hBN微透鏡光學顯微照片；（d）微透鏡理論圖樣（左側(cè)）和實際制備結(jié)果（右側(cè)）比較；（e）光學微腔的示意圖，頂鏡、底鏡、hBN微透鏡（藍色）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)所計算的橫向Ince-Gaussian模分布結(jié)果；（h）測量的橫向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）將兩個六邊形晶格與一個在平面上旋轉(zhuǎn)10°的晶格疊加而成的位圖；（g）兩個疊加的六邊形晶格的位圖，周期分別為55和47 nm，無平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；（j）將九個位圖分別在平面內(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測量結(jié)果；（a）-（l）中的插圖代表著相應圖案的FFT結(jié)果。
【小結(jié)】
本文利用NanoFrazor的3D納米直寫技術(shù)在hBN上實現(xiàn)了復雜高精度納米3D結(jié)構(gòu)的制備,為光電器件性能的應變調(diào)控和能帶結(jié)構(gòu)調(diào)控帶來了新的研究方向。這一研究結(jié)果表明，NanoFrazor在開拓雙曲線超材料、化電子、扭轉(zhuǎn)電子、量子材料和深紫外光電器件等領域新的研究方向上有著重要的作用。
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