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2020年10月27日

中大物理系團隊研發「萬能墨水」 配合激光寫入技術 大大簡化高性能晶片的生產過程

2020年10月27日
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中大物理系研究團隊發現,傳統書法及水墨畫使用的碳素墨水中的碳納米顆粒,是「萬能墨水」最理想的原材料。

用鉑金「萬能墨水」打印的中大校徽。(白色比例尺代表50微米。)

示範用兩種不同金屬(鉑金和黃金)打印圖案。左邊:太極標誌;右邊:熊貓圖案。(白色比例尺代表50微米。)

上:3D打印的金屬地形圖。(灰色比例尺代表100微米。) 下:柔性材料及電路修復槪念圖。

研究團隊成員:(左起) 楊森教授、研究生洪兆輝、陳一帆、本科生盧穎琪、訪問學者Kim Kafenda、前中大研究助理教授夏慷蔚。

生產高性能晶片的關鍵是掌握精準工藝,以製作微米及納米等級的金屬結構。由於技術要求十分高,導致製作成本高昂、過程繁瑣和費時。香港中文大學(中大)物理系助理教授楊森教授、德國斯圖加特大學物理系夏慷蔚博士率領的研究團隊,最近研發了一種全新的「萬能墨水」,配合單步激光直接寫入技術,只需一些簡單儀器便可掌握精準工藝,製作高性能晶片,大大減低生產成本。相關研究論文已在《自然通訊》期刊發表,中大亦已為此項技術申請專利。

基本物理原理開發新技術

業界近年廣泛應用的光刻技術,是目前生產高性能晶片的最先進方法。這項技術十分複雜,涉及多個繁瑣製備過程,包括旋塗光膠、定位、光刻、顯影、蒸鍍、電鍍、剝離等,並需要使用光刻儀、蒸鍍儀等一系列高昂的儀器,大大增加生產成本及難度。另一方面,基於納米金屬顆粒沉積的激光直接寫入技術,則受制於電學、力學及解析度,精確度有限。

中大物理系的研究團隊從基本的物理學原理出發,找出嶄新的方法進行高精度的材料沈積。他們將不同的金屬鹽溶液加入半導體納米顆粒溶膠,製成「萬能墨水」,再運用光鑷技術和半導體光電子效應,透過激光引發化學還原反應,合成金屬納米顆粒。它們會像「膠水」一樣互相黏附,並沉積在晶片基底。改變激光的聚焦點,便可選擇金屬納米顆粒沉積位置;墨水中的金屬成分亦可隨意調整,以配合不同晶片的應用。

傳統墨水繪出現代微納米級材料製作新篇章

研究團隊經過一番篩選及嘗試,發現中國傳統書法和水墨畫,以及鋼筆中所用的碳素墨水,當中的碳納米顆粒具有很好的光還原性和微小的尺寸,是「萬能墨水」理想的半導體納米顆粒。團隊在測試中製作的顆粒結構精確度達到納米級別,力學性質適合製作柔性器材,導電及絕緣性能亦媲美現時採用的物料。此項技術只需要簡單設備,便於大規模推廣。由碳素墨水製成的「萬能墨水」成本低廉,並且可回收再用,大大減低對環境的污染。

獨特的應用前景

楊教授表示:「這項新技術有兩大優勢——第一,可以用多種材料製作複雜的圖案,增加晶片的應用範圍;第二,可以配合光學測量/量度儀器,以監控金屬結構在沉積過程的精確度和質量,促進未來的晶片工業發展,尤其是量子科技晶片生產方面。」

新技術同時帶來其他方面的應用,例如修復電極、製作3D電路等。此外,基於其技術通用性,材料選擇將可更加多元化,有潛力在更多領域的工業上應用。中大團隊將繼續探討及發展此項技術。

有關研究團隊

楊森教授的實驗團隊主要研究固態系統中的量子資訊科學及科技,包括量子計算、量子通訊和量子傳感測量。其團隊主要研究碳基材料的量子光學特性,尤其是基於金剛石裡氮空位中心的量子科技。團隊研發出全球首個基於金剛石單個核自旋的高效量子光學記憶體,以及用於高壓量子材料研究的量子感測器等。正在進行的研究包括研發基於金剛石的量子晶片、建立遠端光量子網路,以及研究量子材料的超導和磁特性等。

研究團隊包括夏慷蔚博士、中大物理系本科生盧穎琪同學、四位研究生陳一帆、洪兆輝、陳暘和瀋陽。其中陳一帆和洪兆輝是是次研究的共同第一作者。夏慷蔚博士曾為中大物理系研究助理教授(現就職於德國斯圖加特大學物理系),主要研究單個稀土離子精密譜學以及碳基材料光化學。

夏慷蔚博士曾為中大物理系研究助理教授(現就職於德國斯圖加特大學物理系),主要研究單個稀土離子精密譜學以及碳基材料光化學。

本研究由中大及研究資助局資助,研究過程中得到中大物理系中央實驗室技術支援。

相關《自然通訊》研究論文:https://www.nature.com/articles/s41467-020-19210-0.



中大物理系研究團隊發現,傳統書法及水墨畫使用的碳素墨水中的碳納米顆粒,是「萬能墨水」最理想的原材料。

中大物理系研究團隊發現,傳統書法及水墨畫使用的碳素墨水中的碳納米顆粒,是「萬能墨水」最理想的原材料。

 

用鉑金「萬能墨水」打印的中大校徽。(白色比例尺代表50微米。)

用鉑金「萬能墨水」打印的中大校徽。(白色比例尺代表50微米。)

 

示範用兩種不同金屬(鉑金和黃金)打印圖案。左邊:太極標誌;右邊:熊貓圖案。(白色比例尺代表50微米。)

示範用兩種不同金屬(鉑金和黃金)打印圖案。左邊:太極標誌;右邊:熊貓圖案。(白色比例尺代表50微米。)

 

上:3D打印的金屬地形圖。(灰色比例尺代表100微米。)
下:柔性材料及電路修復槪念圖。

上:3D打印的金屬地形圖。(灰色比例尺代表100微米。) 下:柔性材料及電路修復槪念圖。

 

研究團隊成員:(左起) 楊森教授、研究生洪兆輝、陳一帆、本科生盧穎琪、訪問學者Kim Kafenda、前中大研究助理教授夏慷蔚。

研究團隊成員:(左起) 楊森教授、研究生洪兆輝、陳一帆、本科生盧穎琪、訪問學者Kim Kafenda、前中大研究助理教授夏慷蔚。

 

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