林寬雨

一張紙和一把剪刀聚在一起，就能剪裁出一幅美麗的剪紙畫。剪紙作為中國一項(xiàng)古老的傳統(tǒng)藝術(shù)，已經(jīng)有上千年的歷史了。隨著時間的推移，剪紙的方法、樣式等也越來越豐富。近年來，剪紙藝術(shù)已經(jīng)從民間走進(jìn)了科學(xué)界。很多著名大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這些看似簡單的剪紙技術(shù)中其實(shí)蘊(yùn)含著深邃的科學(xué)思想。“搭乘”材料和制造技術(shù)快速發(fā)展的列車，這些研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)把剪紙技術(shù)應(yīng)用到了微納米機(jī)電系統(tǒng)、形變建筑學(xué)、生物和光學(xué)器件等很多高端領(lǐng)域。

剪紙中的“小塊頭”

今天要給大家介紹的就是一種先進(jìn)的剪紙技術(shù)，它有一個突出的特點(diǎn)——用來剪裁的“紙張”身材非常嬌小，不是厘米級也不是毫米級，而是我們?nèi)庋鄹究床坏降募{米級，人們還給這種剪紙起了一個很貼切的名字——“納米剪紙”。這項(xiàng)剪紙技術(shù)是由中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心光物理實(shí)驗(yàn)室李家方博士所負(fù)責(zé)的一個國際合作團(tuán)隊(duì)研究出來的。他們從傳統(tǒng)的剪紙中獲得靈感，讓納米薄膜實(shí)現(xiàn)了由二維平面到三維立體結(jié)構(gòu)的“華麗變身”。

神奇的“剪刀”

讓納米級的薄膜“變身”，顯然平時剪紙用的剪刀是辦不到的。在研究中，研究團(tuán)隊(duì)用到了一把特別的“剪刀”，它的名字叫聚焦離子束，英文名是FIB。雖然這個名字看起來和FBI（美國聯(lián)邦調(diào)查局）有點(diǎn)像，但聚焦離子束跟聯(lián)邦調(diào)查局可是一點(diǎn)關(guān)系都沒有，這是一種用一群“抱團(tuán)離子”做加工和分析的系統(tǒng)?！凹艏垺钡姆绞胶唵蝸碚f就是讓一束離子“加速跑”后“抱成團(tuán)”，然后一起去“轟炸”樣品表面，靠著這種看似簡單粗暴的方式讓樣品變成預(yù)想中的模樣。

“小剪刀”本領(lǐng)大

要在這么小的剪紙身上秀出花樣，沒有點(diǎn)真本事可不行。作為一把行走在科技前沿的“剪刀”，聚焦離子束的本領(lǐng)遠(yuǎn)高于它的那些普通同伴。下面，就給大家簡單介紹幾個聚焦離子束專屬的、它的那些伙伴可能都沒聽過的“蓋世神功”。

刻蝕

聚焦離子束就是通過刻蝕讓納米剪紙變身的。這個過程大致是這樣的：聚焦離子束的火藥庫→離子源發(fā)射大量離子→高能離子朝著目標(biāo)“狂奔”→離子團(tuán)結(jié)起來，“抱成團(tuán)”合伙“攻擊”樣品，同時作為補(bǔ)償，會把自身動量送給樣品中的原子或分子→樣品在被“攻擊”過程中完成變身→大功告成。沒錯，刻蝕就是這么“簡單粗暴”，不過它攻擊之后留下的可不是廢墟，而是完成“華麗變身”的納米剪紙。通過選擇合適的“彈藥”，可以讓不同材料的樣品實(shí)現(xiàn)“變身”的夢想。

成像

雖然聚焦離子束有本事在納米級的舞臺上秀花樣，不過納米剪紙那么小，肉眼根本看不到，我們該如何檢驗(yàn)聚焦離子束的勞動成果呢？別急，這點(diǎn)聚焦離子束早就“想到”了，它自帶成像技術(shù)，可以實(shí)時記錄自己的工作進(jìn)度。聚焦離子束的成像本領(lǐng)跟掃描電子顯微鏡基本—樣，都是通過接收二次離子和電子實(shí)現(xiàn)的。這些二次離子和電子也是在聚焦離子束“攻擊”樣品表面時誕生的，這些信號在被接收經(jīng)過處理后能夠顯示出樣品的“面部特征”。雖然聚焦離子束成像能力沒有掃描電子顯微鏡那么棒，但分辨率達(dá)到5～10納米的它們已經(jīng)可以很好地反映材料表層的“體貌特征”了。

沉積

除了“轟炸攻擊”，聚焦離子束還可以通過沉積的辦法完成圖形設(shè)計，不過這個方法需要一個叫氣體注入系統(tǒng)的同伴幫忙。在聚焦離子束到達(dá)樣品表面之前，需要?dú)怏w注入系統(tǒng)先將一種叫有機(jī)前驅(qū)物的氣體物質(zhì)噴到樣品表面。當(dāng)聚焦離子束到達(dá)樣品表面時，它會把有機(jī)前驅(qū)物分成易于揮發(fā)和不易于揮發(fā)兩個幫派，然后“趕走”易于揮發(fā)幫派，最后樣品會在圖形發(fā)生器的幫助下完成“變身”。

小剪紙，大用途

在這么優(yōu)秀的“剪刀”下誕生的剪紙自然也不會差。“身材嬌小”的它們可從來沒想過要去做窗花和賀卡，它們一出生就志向遠(yuǎn)大，比如進(jìn)入高端的光學(xué)領(lǐng)域。研究人員利用納米剪紙的技術(shù)特點(diǎn)設(shè)計出了一種“風(fēng)車型”的納米結(jié)構(gòu)陣列。通過改變這種“風(fēng)車”葉片的旋轉(zhuǎn)方向，就可以過濾掉一些“左旋”或者“右旋”的特殊的光啦！