高分辨聚焦氦离子束轮廓加工光学纳米天线结构。

上四幅图为轮廓加工工艺的分步实验图片。

下二图为金属纳米圆盘的轮廓线图形和选择性剥离后留下的金属纳米光学天线阵列。

近期，我校机械与运载工程学院段辉高教授指导其研究生陈艺勤及毕开西发明了一种高分辨聚焦离子束加工新工艺，为快速、高精度制造纳米光学天线结构提供了一种全新的制造途径，相关工作以“Rapid Focused Ion Beam Milling Based Fabrication of Plasmonic Nanoparticles and Assembliesvia“Sketch and Peel” Strategy”为题在线发表在纳米科技领域顶级期刊ACS Nano上（DOI：10.1021/acsnano.6b06290，2015年影响因子13.3）。

聚焦离子束铣加工（FIBmilling）作为微纳制造的关键技术之一，具有无需掩模、无需抗蚀剂、无需溶剂等优点，在功能图形的高精度加工及光电器件原型开发等领域被广泛应用。近年来，聚焦氦离子束更是凭借其超高分辨能力在极小尺度、极高精度加工（优于10 纳米）中具有不可替代的作用。然而，聚焦离子束加工本质上是一种通过高能量离子束直接溅射去除设定区域材料的减法制造工艺，因此通常仅被运用于制作微纳反结构（例如纳米孔隙、狭缝等）图形。而对于更加普遍实用的颗粒状微纳结构（例如光学纳米天线及阵列），其加工过程需要运用聚焦离子束去除颗粒周围绝大部分面积的材料，因此加工效率低、目标结构损伤大且分辨率受到极大限制。

针对此问题，段辉高教授研究组提出了一种“轮廓加工”新工艺（图1）。相比于传统制造方法，该工艺只需预先用聚焦离子束刻蚀出目标结构的轮廓使其与周围的金属薄膜完全隔离，然后通过选择性地去除轮廓外多余的金属薄膜而获得目标结构。在该工艺中，由于材料去除的面积大幅度降低，因而加工效率可得到极大提升。对于稀疏图形，加工效率最高可提高上千倍，且可实现更高的加工精度和更少的结构损伤。研究表明该方法对于10纳米尺度到100微米尺度的任意尺寸结构都有效，因而在纳米光学天线制造、平面透镜开发、超敏探测器件制作等领域具有广泛的应用价值。

本研究依托我校微纳加工公用平台完成，并得到了自然科学基金委青年基金、面上项目、全国百篇优秀博士学位论文作者专项资金、新世纪优秀人才计划、湖南省杰出青年科学基金、湖湘青年英才计划等项目的支持，国防科技大学、南京大学为合作单位参与了本研究。