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美國麻省理工學(xué)院（MIT）研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種名為“內(nèi)爆雕刻”的新型納米制造技術(shù)，可在三維材料內(nèi)部精確刻寫結(jié)構(gòu)。該技術(shù)加工精度優(yōu)于100納米，并成功制造出可用于可見光計(jì)算的微型三維光子器件，為可見光計(jì)算和高速光學(xué)處理提供了新的制造方案。相關(guān)成果發(fā)表于最新一期《自然·光子學(xué)》雜志。

可見光的波長(zhǎng)在380至750納米之間，要操控可見光，關(guān)鍵在于制造尺寸小于可見光波長(zhǎng)的納米結(jié)構(gòu)，通常要求優(yōu)于100納米的加工精度。遺憾的是，現(xiàn)有三維制造技術(shù)尚未達(dá)到這一精度。雙光子光刻技術(shù)雖能制造三維結(jié)構(gòu)，但分辨率不足；而電子束光刻精度雖高，卻只能在硅片表面形成二維結(jié)構(gòu)，難以實(shí)現(xiàn)真正的三維制造。

在MIT團(tuán)隊(duì)此前提出的“內(nèi)爆制造”概念基礎(chǔ)上，此次研究發(fā)展出“內(nèi)爆雕刻”新方法。該方法首先將一種水凝膠浸入光敏染料，再用激光照射指定位置。激光會(huì)激發(fā)染料產(chǎn)生活性氧分子，切斷局部化學(xué)鍵，從而在材料內(nèi)部形成精確空穴。完成雕刻后，再通過離子溶液處理和超臨界干燥，使水凝膠在長(zhǎng)、寬、高三個(gè)方向上均收縮至原尺寸的1/10以下，最終總體積減少到原來的1/2000，原本約800納米的三維特征結(jié)構(gòu)被壓縮到不足100納米。

為了展示該技術(shù)的靈活性，研究團(tuán)隊(duì)制造了多種三維結(jié)構(gòu)，包括螺旋體以及受蝴蝶翅膀啟發(fā)的結(jié)構(gòu)。其中一些結(jié)構(gòu)極薄且深寬比極高（即又細(xì)又高），傳統(tǒng)雙光子光刻無法穩(wěn)定制備。

作為概念驗(yàn)證，團(tuán)隊(duì)還展示了一種能完成簡(jiǎn)單數(shù)字識(shí)別任務(wù)的光子器件。實(shí)驗(yàn)中，輸入數(shù)字圖案后，光線穿過內(nèi)部多層空穴結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)生衍射，最終在不同位置亮起，從而識(shí)別數(shù)字。這一過程不依賴電子元件，而是完全由光在器件中的傳播完成，相當(dāng)于構(gòu)建了一種純光學(xué)計(jì)算系統(tǒng)。

團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)的價(jià)值不僅在于提高了加工精度，更在于可在材料內(nèi)部數(shù)百萬個(gè)微小位置精準(zhǔn)調(diào)控光學(xué)特性，并結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法優(yōu)化設(shè)計(jì)，為新型光學(xué)器件開發(fā)提供更大自由度。該技術(shù)可用于篩查血液中的循環(huán)腫瘤細(xì)胞，還有望應(yīng)用于高通量病理成像、活檢組織分析以及三維納米流體芯片制造等領(lǐng)域。