跨尺度集成制造纳米结构与器件

在纳米精度制造、纳米结构制造的基础上，对纳米/亚纳米精度、微纳多尺度结构的集成、跨尺度制造，是纳米制造走向工业应用、服务国家重大工程应用的必经之路。以生化传感器制造为例，其传感过程包括两个界面：生化分子水平的反应界面（第一界面），以及传感输出电信号的信息与能量的转换界面（第二界面）。其中，第一界面是在分子结构尺度上进行信息传递，决定了传感器的敏感度和选择性，一般为分子级有序的纳米敏感结构，通常采用“Bottom-Up”的制造技术，保证对生化分子的高灵敏度和高特异性的优点，但由于生长机制的限制，无法实现长程、大面积的高一致性和可重复性的批量制造；第二界面是把物理效应转换为可测电信号，通常采用“Top-Down”制造方法。第一界面必须与第二界面一体化结合才能形成完整的生化传感器，否则生化敏感效应不能变成可直接检测的信号。因此，需要在纳米制造与微结构间实现相兼容的纳微（宏）跨尺度一体化集成制造。

要解决跨尺度制造的一致性和批量化的瓶颈，需要从材料结构的理化本征特性和外部能量调控两个方面共同入手。一方面，通过研究材料的键能、周期势、边缘悬挂键、缺陷等结构特异性所产生的生长或刻蚀的各向异性，形成自约束的纳米结构，实现高度可控的纳米结构批量加工；另一方面，探究通过施加不同外场（如光场、温度梯度场与电场等）来改变局域化能量，研究纳米结构按需去除、保留和再构筑的调控机理，通过多场调控在传感器表面上实现纳米结构的按需构筑并实现高度的结构可控性。(www.xing528.com)

由北京大学、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国科学院物理研究所组成的研究团队，针对社会公众安全的监控和保障对微型生化传感器的重大需求，在前期自组装、纳尺度加工新原理和微纳复合制造的基础上进行集成研究，结合“Top-Down”和“Bottom-Up”的加工方法，解决纳微结构一体化集成制造方法的相容性问题、利用材料结构相异性的自约束纳米加工原理、跨尺度下纳米结构按需可控制造的物理化学原理及多场调控机制等科学问题，建立了微结构表面的局域选择性多重构筑和纳米批量化制造方法，突破了高性能现场生化传感器的跨微纳尺度一体化批量制造核心技术，形成了痕量快速纳米生化传感器原型验证样机，在食品安全检测和公共安全反恐传感系统中获得了原理验证的重要应用。