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生产高性能晶片的关键是掌握精准工艺，以制作微米及纳米等级的金属结构。由于技术要求十分高，导致制作成本高昂、过程繁琐和费时。香港中文大学（中大）物理系助理教授杨森教授、德国斯图加特大学物理系夏慷蔚博士率领的研究团队，最近研发了一种全新的「万能墨水」，配合单步激光直接写入技术，只需一些简单仪器便可掌握精准工艺，制作高性能晶片，大大减低生产成本。相关研究论文已在《自然通讯》期刊发表，中大亦已为此项技术申请专利。

基本物理原理开发新技术

业界近年广泛应用的光刻技术，是目前生产高性能晶片的最先进方法。这项技术十分复杂，涉及多个繁琐制备过程，包括旋涂光胶、定位、光刻、显影、蒸镀、电镀、剥离等，并需要使用光刻仪、蒸镀仪等一系列高昂的仪器，大大增加生产成本及难度。另一方面，基于纳米金属颗粒沉积的激光直接写入技术，则受制于电学、力学及解析度，精确度有限。

中大物理系的研究团队从基本的物理学原理出发，找出崭新的方法进行高精度的材料沈积。他们将不同的金属盐溶液加入半导体纳米颗粒溶胶，制成「万能墨水」，再运用光镊技术和半导体光电子效应，透过激光引发化学还原反应，合成金属纳米颗粒。它们会像「胶水」一样互相黏附，并沉积在晶片基底。改变激光的聚焦点，便可选择金属纳米颗粒沉积位置；墨水中的金属成分亦可随意调整，以配合不同晶片的应用。

传统墨水绘出现代微纳米级材料制作新篇章

研究团队经过一番筛选及尝试，发现中国传统书法和水墨画，以及钢笔中所用的碳素墨水，当中的碳纳米颗粒具有很好的光还原性和微小的尺寸，是「万能墨水」理想的半导体纳米颗粒。团队在测试中制作的颗粒结构精确度达到纳米级别，力学性质适合制作柔性器材，导电及绝缘性能亦媲美现时采用的物料。此项技术只需要简单设备，便于大规模推广。由碳素墨水制成的「万能墨水」成本低廉，并且可回收再用，大大减低对环境的污染。

独特的应用前景

杨教授表示：「这项新技术有两大优势——第一，可以用多种材料制作复杂的图案，增加晶片的应用范围；第二，可以配合光学测量/量度仪器，以监控金属结构在沉积过程的精确度和质量，促进未来的晶片工业发展，尤其是量子科技晶片生产方面。」

新技术同时带来其他方面的应用，例如修复电极、制作3D电路等。此外，基于其技术通用性，材料选择将可更加多元化，有潜力在更多领域的工业上应用。中大团队将继续探讨及发展此项技术。

有关研究团队

杨森教授的实验团队主要研究固态系统中的量子资讯科学及科技，包括量子计算、量子通讯和量子传感测量。其团队主要研究碳基材料的量子光学特性，尤其是基于金刚石里氮空位中心的量子科技。团队研发出全球首个基于金刚石单个核自旋的高效量子光学记忆体，以及用于高压量子材料研究的量子感测器等。正在进行的研究包括研发基于金刚石的量子晶片、建立远端光量子网路，以及研究量子材料的超导和磁特性等。

研究团队包括夏慷蔚博士、中大物理系本科生卢颖琪同学、四位研究生陈一帆、洪兆辉、陈旸和沈阳。其中陈一帆和洪兆辉是是次研究的共同第一作者。夏慷蔚博士曾为中大物理系研究助理教授（现就职于德国斯图加特大学物理系），主要研究单个稀土离子精密谱学以及碳基材料光化学。

夏慷蔚博士曾为中大物理系研究助理教授（现就职于德国斯图加特大学物理系），主要研究单个稀土离子精密谱学以及碳基材料光化学。

本研究由中大及研究资助局资助，研究过程中得到中大物理系中央实验室技术支援。

相关《自然通讯》研究论文：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19210-0.