顯微鏡下的納米建筑技術(shù)是一門藝術(shù)

從不同的角度看，納米建筑作品也有著不同的分類，在立體角度來看，我們可以將納米建筑藝術(shù)作品分為平面的微納米建筑和三維的微納米建筑兩大類。如下圖1所示采用的“電子束平面印刷”的技術(shù)！這是一張原子力顯微鏡的照片，在砷化鎵材料表面雕刻出了鈀金材質(zhì)的耶路撒冷標(biāo)志性建筑－－哭墻的圖案！圖2采用的聚焦離子束－化學(xué)沉積技術(shù)制作而成！這張圖為日本兵庫縣立大學(xué)Reo Kometani等人的三維雕塑作品――“納米比薩斜塔”?？瓷先ノ┟钗┬?，栩栩如生！

納米建筑技術(shù)是一門藝術(shù)

英國著名雕刻大師Willard wigan是當(dāng)代微雕藝術(shù)的杰出代表。他的微雕藝術(shù)作品被一些媒體譽為“世界第九大奇跡”。Willard wigan的作品通常都是在光學(xué)顯微鏡下完成的。以圖3“針頭大小的勞埃德大廈”為例。為了制作該勞埃德大廈，Willard wigan整整用４個月時間，他用一套自制工具在金粒上進(jìn)行微雕，用一根從蒼蠅背上拔下的毛當(dāng)作刷子來上色。創(chuàng)作時，為避免手發(fā)生顫抖，他的注意力要高度集中，呼吸均勻，并盡可能利用兩次心跳的間隔來工作。整個創(chuàng)作過程中，任何細(xì)微的失誤都會導(dǎo)致整個創(chuàng)作的失敗，因為，在顯微鏡下，每次手部顫抖都會像地震一樣具有破壞力。日前，該微雕作品已經(jīng)以18.8萬美元的高價被藝術(shù)收藏家購買。

等離子腐蝕是當(dāng)今微電子領(lǐng)域中常用的硅表面微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)。等離子腐蝕加工的流程大致如下：使用等離子體發(fā)生器在硅的表面形成硫化氟、氟等等離子體；然后讓等離子體和硅表面發(fā)生反應(yīng)；當(dāng)氟離子與硅表面接觸反應(yīng)后便會生成易揮發(fā)的氟化硅；氟化硅蒸發(fā)后，硅表面受到腐蝕，得到了相應(yīng)的雕刻和微加工圖形。目前，研究者發(fā)現(xiàn)，電子顯微鏡下，等離子腐蝕后的硅晶體微觀表面常常會出現(xiàn)類似“城市中高樓林立”的情形。如圖9所示，該幅作品就是巴西金邊大學(xué)Alfredo Rodrigues Vaz等人用等離子體腐蝕硅晶體后得到的，作品名為“拉莫爾市區(qū)”。該作品顯然和圖7 西班牙科學(xué)家Irene Fernandez等人的作品“曼哈頓西區(qū)”極為相似，一棟棟高樓樹立在硅的表面，有異曲同工之效。

離子束化學(xué)氣相沉積技術(shù)是日本學(xué)者松井真二最早提出的。該技術(shù)需要將一材料基體置于芳烴的實驗氣氛環(huán)境中，并采用30keV的聚焦鎵離子束在基體表面進(jìn)行化學(xué)氣相誘導(dǎo)沉積。目前，利用該項技術(shù)，松井真二已經(jīng)在頭發(fā)絲表面制作了多個三維的納米結(jié)構(gòu)）。FIB-CVD雕塑制作的思路可大致描述如下：沉積時，先固定離子束，在材料基體表面誘導(dǎo)形成一個基礎(chǔ)立柱；然后離子束被移動一個不超過立柱直徑的距離，靜止不動直到在立柱頂端沉積出幾十納米厚度的階梯；繼續(xù)重復(fù)上述過程，就能使得沉積的材料層層疊加在前面沉積的結(jié)構(gòu)上；最終在基體表面構(gòu)造出復(fù)雜的三維納米結(jié)構(gòu)來。圖2以及圖10“頭發(fā)上的體育場館”都是FIB-CVD技術(shù)的代表作。在圖10中，體育場的尺寸為數(shù)微米，僅為頭發(fā)絲的幾百分之一大小。

 近年來，科學(xué)家發(fā)明了一種被稱作“雙光束聚合”的三維微結(jié)構(gòu)成型技術(shù)。在雙光束聚合制作微納米雕塑過程中，科學(xué)家使用兩股激光射線照射一種合成樹脂溶液，溶液中只有被兩股激光射線交叉照射到的那部分樹脂才凝固起來，形成雕塑件的“部件”，這樣的部件的精度可達(dá)到120納米，而1納米等于100萬分之一毫米。圖4、圖5所示的均為雙光束聚合的納米建筑作品。

電子束平面刻蝕技術(shù)的思路大致如下：首先在玻璃表面采用旋涂法覆蓋一層FOX薄膜，然后使用高能電子束對玻璃表面有選擇地進(jìn)行曝光，并用腐蝕溶液沖洗；沖洗后，未曝光的FOX便在玻璃表面形成了相應(yīng)的圖案。圖11為美國克奈爾大學(xué)David M. Tanenbaum等人采用電子束平面刻蝕技術(shù)在玻璃上繪制的作品“納米夜市”。“ 納米夜市”作品中，有高塔、大廈…燈紅酒綠，一片大都市夜生活的繁榮景象。畫面的線條寬度為100納米左右。值得一提的是，圖1 金色的耶路撒冷也采用了上述類似的創(chuàng)作方法。

2004年，美國康奈爾大學(xué)的研究人員在硅芯片上刻蝕了世界上最小的白宮圖案[14]，如圖12所示。該白宮尺寸約為3×2微米，領(lǐng)導(dǎo)該項工作的是Carl Batt教授。該“納米白宮”連同另一幅作品“納米美國國旗”被鑲嵌在一塊郵票大小的樹脂上，最終將經(jīng)過白宮負(fù)責(zé)人轉(zhuǎn)交給美國總統(tǒng)。該項工作已經(jīng)得到了美國國家自然基金的資助，采用的工藝為一種先進(jìn)的納米平面印刷技術(shù)。為了制備這面旗幟，Carl Batt教授在硅芯片表面覆蓋上一層玻璃膜，然后在薄膜上刻蝕了間距為納米量級的平行線條。由于這些線條的間距恰好和紅、蘭或綠等可見光中的光波長相對應(yīng)，因此，稍微傾斜一下該芯片，就會觀察到不同顏色所顯示的白宮。

激光直寫技術(shù)是近年來發(fā)展的一種在光刻膠上制作任意形狀三維納米結(jié)構(gòu)的微加工技術(shù)。在納米結(jié)構(gòu)制作過程中，光刻膠只與激光光波的中間部分發(fā)生作用，這就相當(dāng)于光刻膠對于激光來說是透明的，因為單光子的能量處于材料的吸收限以下。通過嚴(yán)格聚焦會得到高強度的超短脈沖激光。當(dāng)激光與光刻膠發(fā)生相互作用時，會產(chǎn)生強烈的多光子吸收效應(yīng)，使激光強度足夠?qū)饪棠z進(jìn)行曝光。這種多光子吸收效應(yīng)會使部分光刻膠發(fā)生化學(xué)或者物理變化，其變化程度可以通過調(diào)節(jié)激光功率進(jìn)行控制。這種變化多呈橢圓形，是制作三維納米結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)單元。樣品的移動和激光強度控制均由計算機系統(tǒng)同步調(diào)節(jié)。對于光刻膠來說，不論是經(jīng)過曝光的部分還是未經(jīng)曝光的部分都會在后期的顯影液中去除，最終留下希望得到的納米雕塑。最近，德國Nanoscribe公司的科學(xué)家利用本公司的激光直寫系統(tǒng)，已經(jīng)創(chuàng)作了多個優(yōu)秀的微納米建筑作品，如圖13所示，高度幾百微米的埃菲爾鐵塔以及在高約百微米的納米勃蘭登堡門。注：勃蘭登堡門位于柏林市中心，是柏林市區(qū)著名的游覽勝地和德國統(tǒng)一的象征。

在2006年第16屆以及2008年第18屆國際顯微鏡大賽中，日本科學(xué)家Yuya Suzuki等人先后提交了“札幌鐵塔”和“金色寺院”等兩副作品，這兩幅作品均獲得該項賽事的大獎。如圖14所示，作品中的“札幌鐵塔”和“金色寺院”高度均為幾十微米，材質(zhì)為硅晶體，需高倍電子顯微鏡才看得清。為了制作這些作品，Yuya Suzuki等人首先通過微采樣法從晶體硅上提取體積極小的硅顆粒，然后將其固定在針尖上；接著旋轉(zhuǎn)針尖，利用聚焦的離子束“轟擊”硅顆粒；由于離子束的能量極高，可以有選擇地熔化、蒸發(fā)硅顆粒局部表面的材料，即對硅顆粒進(jìn)行雕刻，因此，只要實時精確地控制離子束和硅顆粒的相對位置，理論上就可以雕出任意的三維結(jié)構(gòu)來。而“札幌鐵塔”和“金色寺院”就是上述聚焦離子束雕刻技術(shù)的上乘之作。

近年來，受納米器件“從下到上”設(shè)計思想的啟示，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了一些所謂的 計算機輔助納米工程設(shè)計軟件。目前的計算機輔助納米工程設(shè)計軟件主要有NanoXplorer和NanoEngineer-1。NanoXplorer和NanoEngineer-1都屬于納米器件仿真設(shè)計軟件，專門用于設(shè)計各種分子器件、納米器件和納米機器。NanoXplorer和NanoEngineer-1都是依據(jù)生命科學(xué)、物理化學(xué)、分子物理力學(xué)等工程原理來構(gòu)建納米器件的綜合設(shè)計工作平臺，盡管如此，這些軟件也為創(chuàng)作包括納米建筑在內(nèi)的納米藝術(shù)作品提供了工具，如圖6所示的原子風(fēng)車模型就是使用這些軟件構(gòu)建的。

值得一提的是，近年來，科學(xué)家們用納米壓印與納米打印等技術(shù)，相繼成功地繪制了各種圖案。事實上，這些技術(shù)同樣也可以用于微納米建筑圖案的創(chuàng)作。

創(chuàng)作納米建筑藝術(shù)作品是一個多學(xué)科交叉的過程，涉及到很多領(lǐng)域的知識和技術(shù)，而其成像卻又要依賴高倍的光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡以至掃描探針顯微鏡。隨著納米科技的飛速發(fā)展，以及藝術(shù)家不斷介入，納米建筑藝術(shù)作品創(chuàng)作中人的主觀能動性日益增大，同時也必將表現(xiàn)出巨大的經(jīng)濟(jì)與藝術(shù)價值。