综述：冰光刻技术：最新进展开辟了新的机遇领域

《Advanced Functional Materials》：Ice Lithography: Recent Progress Opens a New Frontier of Opportunities

冰光刻（IL）是一种基于高能电子与冷冻材料相互作用的直接写入技术，能制造亚微米级2D图案和复杂3D纳米结构，兼具环保性和高分辨率。其核心机制包括电子与冰层相互作用引发材料分解或交联，支持低毒或无毒材料（如CO?、乙醇、有机金属化合物）的加工，适用于生物敏感材料、量子点、微流控器件等前沿领域。当前研究重点在开发新型材料、优化硬件（如自动化的3DIL系统）和软件（如蒙特卡洛模拟与AI控制），并拓展至活体生物组织图案化、癌症筛查设备、量子材料器件等跨学科应用。技术挑战包括提高吞吐量、实现商业化仪器及确保材料兼容性。

　　冰刻蚀技术（Ice Lithography，简称IL）作为一种新兴的直接写入制造方法，近年来在微纳尺度结构的制造领域展现出了巨大的潜力。与双光子聚合（Two-Photon Polymerisation, 2PP）和聚焦电子束诱导沉积（Focused Electron Beam Induced Deposition, FEBID）相比，IL在制造高分辨率的二维图案以及复杂的三维微纳结构方面提供了独特的技术优势。这项技术的核心原理基于电子束与冰的相互作用，以及随后发生的材料化学和物理变化。通过使用低毒性、可再生的材料，如乙醇和二氧化碳，IL能够在无需使用有机溶剂和化学显影的情况下实现高精度制造，同时具备溶剂无损、环保、高材料兼容性等优势。

IL的基本机制可以分为三个关键方面：电子与冰的相互作用、材料在基底表面的物理化学反应，以及在真空环境中冰的相变过程。在IL过程中，电子束的相互作用决定了结构的最小可分辨尺寸，即所谓的“体素大小”（voxel size）。这一过程中的关键参数包括电子束的能量、剂量、基底温度以及气体注入系统（GIS）的控制。这些参数的优化能够显著影响最终产品的质量、分辨率和制造效率。例如，较低的电子束能量通常会导致更小的体素尺寸，从而提高分辨率，但会降低制造速度；而较高的能量则可能带来更大的体素，提高制造效率，但可能会牺牲一些细节精度。

此外，IL还能够处理不同的材料类型，包括有机材料、无机材料以及有机金属化合物。这些材料在冷冻状态下形成冰层，随后通过电子束诱导的化学反应实现结构的形成。与传统的光刻技术不同，IL不依赖于掩模或显影过程，从而减少了制造过程中的步骤和材料消耗。这种技术的灵活性使得它能够应用于从生物材料到量子材料的广泛领域，为未来在生物医学、量子科技、微传感器制造等领域的创新提供了可能性。

近年来，IL技术取得了多项突破性进展。首先，新型的低毒性和可再生材料被开发出来，如二氧化碳和乙醇，这些材料在IL中表现良好，能够满足高分辨率制造的需求。其次，IL的加工过程和应用领域得到了扩展，包括对生物材料和活体微生物的加工能力。这使得IL能够用于生物医学和生物物理领域的研究，例如在生物膜上直接制造纳米结构，从而实现生物传感和细胞行为研究。同时，3DIL（三维冰刻蚀）技术的发展使得复杂的三维结构成为可能，这为制造微流控设备、纳米光子器件和3D生物支架提供了新思路。

在硬件方面，IL系统也在不断优化。包括扫描电子显微镜（SEM）、气体注入系统（GIS）和温度控制模块在内的设备升级，使得IL能够在更高效、更精准的条件下进行。特别是，随着低温冷却系统的改进，如采用金属有机冷却器和液氦冷却，使得IL能够实现更快速的冷却和更低的振动水平。这些改进显著提升了IL在制造复杂结构方面的稳定性与精度。

同时，数字方法（Digital Methods, DM）在IL中的应用也日益广泛。通过使用蒙特卡洛（Monte Carlo, MC）模拟和有限元方法（Finite Element Method, FEM），研究人员能够更精确地预测电子束与材料的相互作用，从而优化制造参数，提高IL的工艺可靠性。此外，数字控制系统的引入使得IL能够实现高度自动化的操作，包括精确的剂量调节、温度控制以及模式匹配。这些数字化技术不仅提高了制造效率，还增强了对复杂结构的控制能力，使得IL能够用于大规模生产。

在应用领域，IL展现出广阔的发展前景。例如，在生物医学领域，IL可以用于制造细胞培养支架、生物传感器和免疫调节平台，这些设备能够用于疾病研究和个性化医疗。在量子材料方面，IL能够用于制造高质量的量子点、纳米结构以及具有特定功能的材料，这些材料可用于量子计算、光电子器件和传感技术。此外，IL还能够用于微流控系统的制造，这种系统可以模拟生物体内复杂的流体动力学行为，从而推动生物医学研究的发展。

从技术挑战来看，IL仍然面临一些关键问题。首先，如何提高制造效率，实现高通量生产，是IL在工业应用中的重要目标。由于IL的制造过程依赖于电子束与材料的相互作用，因此需要对电子束的能量、剂量以及材料特性进行更深入的研究。其次，IL的制造精度和一致性也需要进一步优化，特别是在处理非平面和复杂结构时。此外，随着IL技术的推广，如何确保其在洁净室环境中的兼容性，避免对其他制造工艺造成干扰，也是一个重要的技术挑战。

展望未来，IL有望成为一种重要的微纳制造技术，为生物医学、量子科技、微传感器制造等领域带来革命性的创新。随着更多新型材料的开发和制造过程的优化，IL可能会在更广泛的工业应用中发挥作用，特别是在需要高精度、低毒性以及环保的制造场景中。此外，IL的进一步发展将依赖于软件和硬件的协同创新，包括更先进的数字模拟工具、自动化的制造系统以及高效的反馈和纠错机制。这些技术的融合将推动IL在制造复杂三维纳米结构方面的能力，为未来的纳米科技发展奠定基础。