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原创丨彤心未泯（米测 技术中心）

编辑丨风云

尽管自组装纳米技术构件（例如大分子、纳米线和二维材料）的研究取得了巨大进展，但连接纳米尺度和宏观尺寸的合成自组装方法仍然无法扩展。相比之下，平面半导体技术由于其固有的可扩展性而产生了巨大的技术影响，但它似乎无法达到自组装所能实现的原子尺寸。

有鉴于此，丹麦技术大学Ali Nawaz Babar、Søren Stobbe等人提出并演示了一种制造半导体器件的新方法，通过使用表面力，包括Casimir–van der Waals相互作用，实现受控地、确定性地自组装和自对准悬浮硅纳米结构，其空隙特征远低于传统光刻和蚀刻可能的长度尺度，尽管只使用传统光刻和蚀刻。该方法具有显著的稳定性，自组装的阈值在成千上万个测量设备中单调地依赖于所有的控制参数。通过制造任何其他已知方法无法制造的纳米结构来说明这些概念的潜力：波导耦合高Q硅光子腔将电信光子限制在2 nm气隙中，纵横比为100，对应于模式体积比衍射极限低100 倍以上。扫描透射电子显微镜测量证实了构建亚纳米尺寸器件的能力。该技术将通过自组装实现的原子尺寸与平面半导体的可扩展性结合起来，是迈向新一代制造技术的第一步。

确定性自组装

本工作的自组装过程利用了当表面力F_s被一个线性回复弹簧力F_k抵消时，两个相邻物体之间发生的内在拉入不稳定性。作者将表面力不稳定性映射为几何形状的函数，从而为定向塌陷的自组装提供设计规则。结果表明较硬的弹簧为平台提供足够的恢复力，使其在小位移下达到稳定平衡而不会塌陷，而弹簧常数较小的平台则不然，从而导致确定性和定向塌陷。作者制造了2688个器件绘制了拉入不稳定性阈值的几何依赖性和再现性，塌陷阈值提供了实现具有高深宽比间隙的悬浮硅器件的基本设计规则，以避免意外的拉入不稳定性。

图1 通过表面力实现悬浮硅平台的确定性面内自组装

原子级空腔的自组装

作者通过光子纳米腔的实现证实了该方法的实用性，该光子纳米腔将光限制在纵横比超过100的硅膜的气隙中。作者展示了纳米束光子晶体腔的几何结构，该腔体被制造为两个由间隙隔开的弹簧悬挂纳米梁。STEM表征数据估计了非晶层的厚度d在2至2.5 nm范围内，这证实它是天然氧化硅。由于纳米束腔顶部的倾斜角较小，STEM显示出从背景穿过氧化物到硅的平滑过渡，而下部则显示出更尖锐的过渡，两个领结最有可能在自然氧化物界面处接触。证明了该方法能够构建原子级半导体器件，其中最小临界尺寸受到结构无序的限制。

共振模式表征

作者通过交叉极化远场共振散射来表征自组装纳米束腔的共振模式，提取了一系列腔体的谐振波长和基本腔模的品质因数，使用SEM提取的偏移宽度对应关系进行插值，估计了领结宽度g。还针对不同的g模拟了制造的几何结构，其中包括2 nm的原生氧化物层，并比较了模拟和测量的特性。理论曲线证明，随着领结宽度的减小，会出现明显的红移。测量的Q因子在7.54×10³和4.21 ×10⁴之间，在实验和模拟中都随着领结宽度的增加而增长。亚衍射限制的Q因子超出了先前的实验结果一个数量级以上。

图3 自组装纳米束腔的共振散射

与光子电路集成

最后，作者对具有复杂电路的接口和自对准自组装器件的探索，证实了自下而上的自组装器件与自上而下平面技术对接方法的可扩展性。使用拓扑优化光子耦合器，展示了一个自组装纳米梁腔，包括通过此类耦合器与外部波导的有效接口以及锥形波导区域弹簧的低损耗锚点。耦合器中的沟槽允许使用自组装方法，将耦合器分成两半，与纳米束腔同时自组装。使用该方法自组装形成的实验腔具有更长的缺陷区域以减少面外辐射损耗，并且具有更少数量的镜单元以减少面外辐射损耗，进而促进通过腔体的有效传输。

图4 自组装纳米束腔与光子电路的集成

参考文献：

Babar, A.N., Weis, T.A.S., Tsoukalas, K. et al. Self-assembled photonic cavities with atomic-scale confinement. Nature 624, 57–63 (2023).

DOI：10.1038/s41586-023-06736-8

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06736-8