《ACS Omega》：Desktop Fabrication of Plasmonic Nanoantennas with 10 nm Precision Using Field-Emission Scanning Probe Lithography
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研究人员展示了一种精确、稳定且成本低廉的方法，利用扫描探针光刻（SPL）制备等离激元纳米结构。该方法能够实现线宽低至40 nm、间隙尺寸约25 nm的等离激元纳米天线的精确且可重复制造。此外，长度和宽度等几何参数可以以10 nm的精度连续调控。该方法无需昂贵的
研究人员展示了一种精确、稳定且成本低廉的方法，利用扫描探针光刻（SPL）制备等离激元纳米结构。该方法能够实现线宽低至40 nm、间隙尺寸约25 nm的等离激元纳米天线的精确且可重复制造。此外，长度和宽度等几何参数可以以10 nm的精度连续调控。该方法无需昂贵的真空电子束光刻设备，仅需使用简单的桌面环境原子力显微镜（AFM）即可实现。所使用的材料和图形转移工艺均为标准工艺，为纳米光子器件的制备提供了一种新颖、便捷且低成本的途径。
**论文解读：基于场发射扫描探针光刻的等离激元纳米天线桌面式高精度制备技术**
随着微纳光学的快速发展，光学结构与器件的特征尺寸已进入亚微米乃至纳米尺度。对于等离激元（plasmonic）和超表面（metasurface）器件而言，其性能对结构几何尺寸极为敏感，通常要求制备精度达到10 nm级。目前，这类纳米器件的定制化制备高度依赖电子束光刻（EBL）和聚焦离子束（FIB）铣削等昂贵真空设备，严重限制了技术的广泛应用。因此，开发新型、低成本、便捷且高精度的紧凑型直写技术日益迫切。基于原子力显微镜（AFM）的扫描探针光刻（SPL）作为一种重要替代路径，可在环境大气条件下使用桌面级设备实现低成本的图形化。其中，场发射扫描探针光刻（FE-SPL）在原理和功能上与EBL类似，通过导电探针直接向光刻胶注入电子实现局部曝光与图形化，无需高真空环境，且电子能量低，有助于抑制邻近效应、减少对敏感衬底的损伤。然而，以往FE-SPL使用的光刻胶层通常很薄（约10 nm），难以满足后续刻蚀工艺对掩模厚度的要求，限制了其在功能器件结构制备中的应用。针对这一挑战，本研究探索了使用较厚光刻胶（40 nm及以上）的FE-SPL曝光工艺及后续图形转移技术，并将其应用于等离激元纳米天线的制造中。
研究人员通过FE-SPL技术在厚胶（40–70 nm）上成功制备了线宽低至40 nm、间隙约25 nm、参数调节精度达10 nm的等离激元纳米棒和间隙天线。该方法无需昂贵的真空电子束光刻设备，仅需标准桌面环境AFM即可实现，且所用材料与图形转移工艺均为标准流程，为纳米光子学器件的制备提供了一种新颖、便捷、低成本的途径。该研究成果发表于《ACS Omega》。
**主要关键技术与方法概述**
本研究采用的核心技术包括：场发射扫描探针光刻（FE-SPL），利用导电探针（针尖半径约35 nm）在接触模式下向酚醛树脂基负性光刻胶（AR-N 7520）注入电子，诱导交联反应形成掩模图形；离子束刻蚀（IBE）将图形转移至金膜层，金膜与光刻胶的刻蚀选择比约为2:1；原位表征手段包括原子力显微镜（AFM）的形貌扫描功能以及开尔文探针力显微镜（KPFM）对曝光后电荷分布的无损检测，用于优化参数和评估曝光充分性。所有实验均在NT-MDT AFM系统（NTEGRA Prima）上完成，环境湿度控制在40%左右，衬底方块电阻低于15 Ω/sq。
**研究结果**
**3.1 Precision Length Control**
通过FE-SPL制备了一系列宽度固定为40 nm、长度分别为80、100、120、140 nm的金纳米棒阵列。扫描电子显微镜（SEM）图像显示各阵列内结构均匀，实际长度与设计尺寸高度吻合。散射光谱测量表明，随着长度递增，谐振波长发生规律性蓝移，与纳米棒长度与谐振频率的线性关系一致，验证了制备精度。
**3.2 Precise Tuning of Line Width**
研究发现，通过控制曝光参数（扫描电压和扫描速度）可精细调控线宽。以纳米棒结构为模型，在固定光刻胶厚度（50 nm）下，增大写入电压并降低扫描速度，线宽可由30 nm连续调至200 nm，偏差保持在约10 nm。同时，通过调节曝光时间可逐步缩小天线间隙，实现了对结构几何参数的连续调控。
**3.3 High Reliability and Reproducibility**
在良好衬底导电性（方块电阻<15 Ω/sq）和适当厚度条件下，FE-SPL直写过程在较低电压（低于70 V）下表现出高稳定性与可重复性。通过制备5×5纳米棒阵列（长度40、80、120、160 nm，宽度均为40 nm），SEM图像显示同阵列内结构尺寸变化低于10 nm，批次一致性良好。
**3.4 Other Key Parameters: Resist Thickness, Humidity, and Tip Coating Materials**
系统研究了光刻胶厚度、环境湿度及探针涂层材料的影响。阈值曝光电压随光刻胶厚度（40–70 nm）近似线性增加，但电压超过70 V时探针易受损，导致结构过曝或形貌畸变。环境湿度为40%时形成均匀图案；湿度过低（34%）导致接触不稳定、结构缺失；湿度过高（46%）因水膜过厚引起电流扩散、图案模糊。探针导电涂层方面，Ti或WC涂层因硬度高、耐磨性好而优于Au涂层；衬底材料需保证方块电阻低于15 Ω/sq。
**总结与讨论**
本研究系统探讨了FE-SPL中光刻胶厚度、环境湿度、写入电压与扫描速度等关键参数的影响，确定了稳定可靠运行的参数窗口。该方法在保持足够刻蚀掩模厚度（40–70 nm）的同时，实现了线宽40 nm、间隙25 nm、精度10 nm的等离激元纳米天线制备，且无需真空环境与昂贵设备。与EBL、FIB及热扫描探针光刻（t-SPL）相比，FE-SPL在分辨率、精度与成本之间取得了良好平衡，虽然通量受限于AFM串行扫描特性，但其制备能力足以满足大多数等离激元和超表面应用需求。
**结论**
研究人员开发了一种基于FE-SPL的等离激元纳米结构制备技术，能够利用低成本的AFM平台实现精确、可靠且便捷的等离激元纳米结构制造。通过该方法，成功制备了宽度和长度连续可调的纳米棒和间隙天线，实现了低至40 nm的线宽及10 nm的参数调节精度。为实现这些制备能力，研究人员系统研究了FE-SPL中的关键工艺参数，包括光刻胶厚度、环境湿度、写入电压和扫描速度，确定了系统稳定可靠运行的参数窗口。该方法无需昂贵的真空电子束光刻设备，仅需使用标准桌面环境商用AFM即可实施，为纳米光子学器件的制备提供了一种新颖、便捷、低成本的途径。
