生產高性能晶片的關鍵是掌握精準工藝，以製作微米及納米等級的金屬結構。由於技術要求十分高，導致製作成本高昂、過程繁瑣和費時。香港中文大學（中大）物理系助理教授楊森教授、德國斯圖加特大學物理系夏慷蔚博士率領的研究團隊，最近研發了一種全新的「萬能墨水」，配合單步激光直接寫入技術，只需一些簡單儀器便可掌握精準工藝，製作高性能晶片，大大減低生產成本。相關研究論文已在《自然通訊》期刊發表，中大亦已為此項技術申請專利。

基本物理原理開發新技術

業界近年廣泛應用的光刻技術，是目前生產高性能晶片的最先進方法。這項技術十分複雜，涉及多個繁瑣製備過程，包括旋塗光膠、定位、光刻、顯影、蒸鍍、電鍍、剝離等，並需要使用光刻儀、蒸鍍儀等一系列高昂的儀器，大大增加生產成本及難度。另一方面，基於納米金屬顆粒沉積的激光直接寫入技術，則受制於電學、力學及解析度，精確度有限。

中大物理系的研究團隊從基本的物理學原理出發，找出嶄新的方法進行高精度的材料沈積。他們將不同的金屬鹽溶液加入半導體納米顆粒溶膠，製成「萬能墨水」，再運用光鑷技術和半導體光電子效應，透過激光引發化學還原反應，合成金屬納米顆粒。它們會像「膠水」一樣互相黏附，並沉積在晶片基底。改變激光的聚焦點，便可選擇金屬納米顆粒沉積位置；墨水中的金屬成分亦可隨意調整，以配合不同晶片的應用。

傳統墨水繪出現代微納米級材料製作新篇章

研究團隊經過一番篩選及嘗試，發現中國傳統書法和水墨畫，以及鋼筆中所用的碳素墨水，當中的碳納米顆粒具有很好的光還原性和微小的尺寸，是「萬能墨水」理想的半導體納米顆粒。團隊在測試中製作的顆粒結構精確度達到納米級別，力學性質適合製作柔性器材，導電及絕緣性能亦媲美現時採用的物料。此項技術只需要簡單設備，便於大規模推廣。由碳素墨水製成的「萬能墨水」成本低廉，並且可回收再用，大大減低對環境的污染。

獨特的應用前景

楊教授表示：「這項新技術有兩大優勢——第一，可以用多種材料製作複雜的圖案，增加晶片的應用範圍；第二，可以配合光學測量/量度儀器，以監控金屬結構在沉積過程的精確度和質量，促進未來的晶片工業發展，尤其是量子科技晶片生產方面。」

新技術同時帶來其他方面的應用，例如修復電極、製作3D電路等。此外，基於其技術通用性，材料選擇將可更加多元化，有潛力在更多領域的工業上應用。中大團隊將繼續探討及發展此項技術。

有關研究團隊

楊森教授的實驗團隊主要研究固態系統中的量子資訊科學及科技，包括量子計算、量子通訊和量子傳感測量。其團隊主要研究碳基材料的量子光學特性，尤其是基於金剛石裡氮空位中心的量子科技。團隊研發出全球首個基於金剛石單個核自旋的高效量子光學記憶體，以及用於高壓量子材料研究的量子感測器等。正在進行的研究包括研發基於金剛石的量子晶片、建立遠端光量子網路，以及研究量子材料的超導和磁特性等。

研究團隊包括夏慷蔚博士、中大物理系本科生盧穎琪同學、四位研究生陳一帆、洪兆輝、陳暘和瀋陽。其中陳一帆和洪兆輝是是次研究的共同第一作者。夏慷蔚博士曾為中大物理系研究助理教授（現就職於德國斯圖加特大學物理系），主要研究單個稀土離子精密譜學以及碳基材料光化學。

夏慷蔚博士曾為中大物理系研究助理教授（現就職於德國斯圖加特大學物理系），主要研究單個稀土離子精密譜學以及碳基材料光化學。

本研究由中大及研究資助局資助，研究過程中得到中大物理系中央實驗室技術支援。

相關《自然通訊》研究論文：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19210-0.