與二維微/納結(jié)構(gòu)相比，三維微/納結(jié)構(gòu)具有更大空間自由度、更豐富和更新奇的功能特性，在力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、微電子及微納光子學(xué)等領(lǐng)域展示出巨大優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。然而, 目前主流的微/納米制造技術(shù)是基于平面工藝，不能直接用于三維微/納米結(jié)構(gòu)的加工。近年來，三維加工方法和技術(shù)已有較大的進(jìn)展和突破，如多層疊加、激光三維直寫和3D打印等，但是在納米尺度上進(jìn)行可控的三維加工仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心微加工實(shí)驗(yàn)室的博士研究生楊盛焱、劉哲博士、楊海方和李俊杰、顧長(zhǎng)志研究員等人，建立并完善了一種基于離子束應(yīng)變誘導(dǎo)的三維折疊納米結(jié)構(gòu)加工方法，并與合作者一起在構(gòu)筑三維超材料和實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)調(diào)控特性方面取得重要進(jìn)展?；诤暧^傳統(tǒng)折紙工藝（Origami）帶來的靈感，他們提出了聚焦離子束（FIB）應(yīng)變誘導(dǎo)的折疊加工方法，可以實(shí)現(xiàn)從微米到納米尺度的可控折疊或彎曲加工，尤其在三維結(jié)構(gòu)精度、尺度和空間取向的加工方面展示出明顯的優(yōu)勢(shì)。這種方法靈活直接、加工精度高、簡(jiǎn)單實(shí)用，并與平面工藝兼容，具有結(jié)構(gòu)自由度高及三維構(gòu)型動(dòng)態(tài)可控等特點(diǎn)，是一種非常具有前景的三維加工新方法。由于他們?cè)谶@一領(lǐng)域的代表性工作，為材料領(lǐng)域重要國際期刊Advanced Materials【31(2019) 1802211】撰寫了一篇綜述文章，系統(tǒng)介紹了三維折疊加工方法的物理機(jī)制、加工工藝及其在微納米器件應(yīng)用上的研究進(jìn)展和未來前景與挑戰(zhàn)，并被選為當(dāng)期的Frontispiece。同時(shí)，他們還制定了《微納加工離子束輻照應(yīng)變誘導(dǎo)三維納米結(jié)構(gòu)與器件的加工方法》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)（T/BSPT 002—2018），并已發(fā)布。這是我國首次制定的兩項(xiàng)關(guān)于納米加工方法的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)之一，為我國納米制造的發(fā)展戰(zhàn)略提供了支撐。目前正在申報(bào)制定國家標(biāo)準(zhǔn)，并已通過初審。

該研究團(tuán)隊(duì)與英國伯明翰大學(xué)張霜教授合作，在利用微納三維折疊加工方法構(gòu)筑手性超材料實(shí)現(xiàn)自旋光分辨與選擇性傳輸方面取得重要突破。他們?cè)O(shè)計(jì)并加工出具有內(nèi)稟手性特征的三維折疊超表面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了自旋光分辨和巨大的圓二色性值(CD)，解決了自旋光有效調(diào)控中的關(guān)鍵難題。在這一過程中，他們利用電子束光刻在氮化硅薄膜上制備了反鏡像對(duì)稱排布的金屬劈裂諧振環(huán)，然后利用聚焦離子束應(yīng)變誘導(dǎo)加工技術(shù)，將劈裂諧振環(huán)沿著一定的空間角度進(jìn)行折疊，從而獲得具有高構(gòu)型自由度的折疊超表面。這種具有深亞波長(zhǎng)厚度的折疊超表面能夠使得一種自旋態(tài)的光高效率通過該器件，而另一種自旋態(tài)的光則被反射或吸收。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著折疊角度的優(yōu)化，這種折疊超表面在紅外波段的圓二色性值可高達(dá)0.7。這種折疊超表面結(jié)構(gòu)具有深亞波長(zhǎng)特性，能高效地調(diào)控不同自旋光的傳播行為，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)波段高性能、微型化光自旋開關(guān)器件，在微型圓偏振器、自旋探測(cè)器、自旋光信息處理、手性光學(xué)成像和非線性光學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。該項(xiàng)研究成果于2019年1月4日在線發(fā)表在Nano Letters (DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b04521)上，并被選作封面文章。

圖1. 三維納米結(jié)構(gòu)與器件加工的新方法與應(yīng)用(綜述)

圖2 已發(fā)布的納米加工方法團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

圖3. 利用折疊超表面實(shí)現(xiàn)自旋光選擇性透射示意圖和折疊超表面的SEM圖(左上圖)；多極矩輻射譜和表面電流分布揭示折疊超表面手性光學(xué)響應(yīng)的物理機(jī)制（左下圖）；實(shí)驗(yàn)測(cè)得和理論計(jì)算獲得超表面對(duì)左旋和右旋圓偏振光的透射譜和實(shí)驗(yàn)測(cè)得和理論計(jì)算獲得的折疊超表面(折疊角度q=50°)對(duì)左旋和右旋圓偏振光的透射譜（右圖）。

圖4. (a) 理論計(jì)算獲得的圓二色譜隨著折疊角度的變化; (b) 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的圓二色譜隨著折疊角度的變化; (c) 折疊角度為60°時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得折疊超表面的左旋和右旋光透射譜; 折疊角度為60°時(shí)，折疊超表面的圓二色性曲線。