南京大学化学化工学院教授王元元与时间赛跑助

人类社会对于“刻”“做标记”并不陌生。作为文明的标志，远古的人们在洞穴中刻出了生命的图腾。作为现代科学的象征，光刻技术作为半导体工业的“领头羊”，在半个世纪的进化历程中为整个产业的发展提供了最为有力的技术支撑。来自南京大学的王元元教授一直致力于通过引入新型的光学刻蚀技术，构建全无机纳晶器件，并在场效应传感器（FET）、量子点发光二极管（QD-LED）、二元衍射光栅（Binary Diffraction Grating）等方面取得了一系列重要的成果。

压力是最好的动力

王元元的座右铭是：“压力是最好的动力。”这也是他对待科研和生活的态度。从南京大学毕业，到漂洋过海前往美国圣路易斯华盛顿大学攻读博士学位，再到芝加哥大学从事博士后研究，王元元从未松懈。实验室中总有他做实验的身影，讨论会时总是他最踊跃地表达想法，他一直坚信，只要努力就会获得好的成绩。“元元就像一块海绵”，王元元的美国导师William E Buhro 教授的这句评价恰如其分地解读了他。他像海绵那般柔韧抗压，能很好地改变自我去适应新的环境；更像海绵一样不断地从外界汲取营养，对科研抱有一颗矢志不渝的赤子之心。王元元从小就热爱思考、刨根问底让很多老师“不胜其烦”，但这正是从事科研工作必备的重要条件之一。正是优秀的科研素养，让王元元在他的研究领域取得了一定成绩，让人们看到新希望。

图案化是半导体器件制造工艺中最复杂、最关键的步骤，用于元件的集成。近年来，光学刻蚀技术依靠其高分辨、高保真度和低成本等特性已经发展成为电子工业领域一种常用的微加工手段，被广泛用到电子电路、高性能显示器、光学镜片等领域中。作为光刻技术的核心材料，光刻胶的性能决定了光刻工艺的成本、精度和适用领域等。然而，目前国内光刻胶市场基本由外资企业占据，国内企业市场份额不足40%。针对半导体用光刻胶，其核心技术更是基本被日本和美国企业所垄断。因此，如何能现光刻胶国产化成为了王元元的研究重点。

通过反复的实验测试，王元元通过对材料在分子尺寸上的定向设计，提出了一种新型的光刻胶模型，并将其命名为“DOLFIN”。通过这项技术，人们可以快速有效地将无机纳米材料转变为光敏涂料，直接用于构建任意的复杂结构，以满足不同的商品化需求。不同于传统的光刻技术，DOLFIN 技术无需使用有机高分子材料,因此光刻后的纳米材料在物理化学性能方面上都有不同程度的提高。更重要的是，通过DOLFIN人们可以实现700nm 的DUV 光刻分辨率。这项技术的出现，彻底颠覆了人们对传统光刻技术的理解，它不仅可以将几乎所有的纳米材料转变为光敏涂料，而且大大缩短了纳晶器件的制备时间，极大程度地降低了制备的成本。除了在光刻材料制备上的创新，对于材料表面功能化，王元元也颇有建树。在实验中，他提出由纳米材料入手，通过对其表界面化学的研究，设计一系列的表面配体分子，将胶体纳米晶体成功地转换为对电子束敏感的纳米涂料，在刻蚀过程中替代传统的商用光刻胶，实现利用电子束刻蚀技术制备30nm 的图案，同时保持了刻蚀后材料的光学和电学性能。这项利用表界面化学设计，将纳米材料与刻蚀技术相结合的工艺为微纳制造的发展提供了一个新的方向。

王元元在光刻胶研发方面取得的一系列成果为高效制备符合工业应用需求的特定光电器件提供了独特的解决方案。在研究过程中，王元元思路清晰——从材料的制备，到表面功能化，再到用于光刻体系，最后利用图案化材料制备器件形成了完整的科研体系，并将想法付诸于行动。王元元说：“之所以在光刻技术上进行深入探索，是因为微纳加工技术是当今高科技发展的重要领域之一，在芯片加工、单电子器件、量子电导原子开关等方面起到了不可替代的作用，它的发展前景是广阔的。”

放眼未来，无限期待

2019年，王元元结束了在美国的科研工作，回到母校南京大学任教。谈及在美国学习的日子，他笑谈那是一段偷来的时光。这段时光让他受益匪浅。他的思维方式也因此改变，从理论学习的不断加深，从简单地应用到技术研究，这些都潜移默化地对他产生了不小的影响。现在他要用新的思路在国内开展新的研究，为母校为祖国的科研事业做贡献。

当今，光电器件已经涉足我们日常生活的各个领域，并扮演着重要角色。这些领域日益增长的需求激励研究人员研发更高性能的设备。基于先前光刻技术的研究，王元元创新的DOLFIN 的新型光学刻蚀技术使得光刻不再依赖于有机高分子光刻胶，极大地简化了传统的工艺流程，同时增强了光刻后纳米材料的物理化学特性，从而使无机纳米材料在制备新一代日常电子器件中起到了更为突出的作用。然而要将DOLFIN 技术成功地应用到日常生产和生活中，仍需要对众多细节从基础科学领域到实际应用领域进行深入的研究和优化。接下来，王元元计划在第一代技术基础上，通过对光敏材料的调控、工业参数的优化，研发出更为完善的新一代可用于工业生产的图案化技术。未来可期，我们有理由相信王元元定会为大家带来新的科研惊喜。

文章来源：《现代科学仪器》 网址: http://www.xdkxyq.cn/qikandaodu/2021/0223/390.html