顯微鏡下的納米建筑技術是一門藝術

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！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的耶路撒冷標志性建筑－－哭墻的圖案！圖2采用的聚焦離子束－化學沉積技術制作而成！這張圖為日本兵庫縣立大學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！

納米建筑技術是一門藝術

英國著名雕刻大師Willard wigan是當代微雕藝術的杰出代表。他的微雕藝術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行微雕，用一根從蒼蠅背上拔下的毛當作刷子來上色。創作時，為避免手發生顫抖，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。整個創作過程中，任何細微的失誤都會導致整個創作的失敗，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，該微雕作品已經以18.8萬美元的高價被藝術收藏家購買。

等離子腐蝕是當今微電子領域中常用的硅表面微結構加工技術。等離子腐蝕加工的流程大致如下：使用等離子體發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生反應；當氟離子與硅表面接觸反應后便會生成易揮發的氟化硅；氟化硅蒸發后，硅表面受到腐蝕，得到了相應的雕刻和微加工圖形。目前，研究者發現，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”。該作品顯然和圖7 西班牙科學家Irene Fernandez等人的作品“曼哈頓西區”極為相似，一棟棟高樓樹立在硅的表面，有異曲同工之效。

離子束化學氣相沉積技術是日本學者松井真二最早提出的。該技術需要將一材料基體置于芳烴的實驗氣氛環境中，并采用30keV的聚焦鎵離子束在基體表面進行化學氣相誘導沉積。目前，利用該項技術，松井真二已經在頭發絲表面制作了多個三維的納米結構）。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形成一個基礎立柱；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；繼續重復上述過程，就能使得沉積的材料層層疊加在前面沉積的結構上；最終在基體表面構造出復雜的三維納米結構來。圖2以及圖10“頭發上的體育場館”都是FIB-CVD技術的代表作。在圖10中，體育場的尺寸為數微米，僅為頭發絲的幾百分之一大小。

 近年來，科學家發明了一種被稱作“雙光束聚合”的三維微結構成型技術。在雙光束聚合制作微納米雕塑過程中，科學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的圖案。圖11為美國克奈爾大學David M. Tanenbaum等人采用電子束平面刻蝕技術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作方法。

2004年，美國康奈爾大學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，領導該項工作的是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，最終將經過白宮負責人轉交給美國總統。該項工作已經得到了美國國家自然基金的資助，采用的工藝為一種先進的納米平面印刷技術。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，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。

激光直寫技術是近年來發展的一種在光刻膠上制作任意形狀三維納米結構的微加工技術。在納米結構制作過程中，光刻膠只與激光光波的中間部分發生作用，這就相當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。通過嚴格聚焦會得到高強度的超短脈沖激光。當激光與光刻膠發生相互作用時，會產生強烈的多光子吸收效應，使激光強度足夠對光刻膠進行曝光。這種多光子吸收效應會使部分光刻膠發生化學或者物理變化，其變化程度可以通過調節激光功率進行控制。這種變化多呈橢圓形，是制作三維納米結構的基本結構單元。樣品的移動和激光強度控制均由計算機系統同步調節。對于光刻膠來說，不論是經過曝光的部分還是未經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公司的科學家利用本公司的激光直寫系統，已經創作了多個優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，是柏林市區著名的游覽勝地和德國統一的象征。

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、蒸發硅顆粒局部表面的材料，即對硅顆粒進行雕刻，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構來。而“札幌鐵塔”和“金色寺院”就是上述聚焦離子束雕刻技術的上乘之作。

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

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

創作納米建筑藝術作品是一個多學科交叉的過程，涉及到很多領域的知識和技術，而其成像卻又要依賴高倍的光學顯微鏡、電子顯微鏡以至掃描探針顯微鏡。隨著納米科技的飛速發展，以及藝術家不斷介入，納米建筑藝術作品創作中人的主觀能動性日益增大，同時也必將表現出巨大的經濟與藝術價值。