·微納加工技術(shù)是衡量國家高端制造業(yè)水平的標(biāo)志之一，柔性微納制造技術(shù)是信息芯片、新型裝備、光電器件的源頭性基礎(chǔ)技術(shù)。

·學(xué)科交叉有利于創(chuàng)新，解決卡脖子難題。要在結(jié)合自身特長、保持核心競爭力的基礎(chǔ)上選擇熱愛的科研方向，找到科研的意義，才能夠長期堅持坐冷板凳。

胡開明在加州大學(xué)伯克利分校求學(xué)期間進(jìn)行器件測試實(shí)驗(yàn)。

10納米工藝相當(dāng)于可在一根頭發(fā)絲的截面上制作出50萬個晶體管，這種微納加工技術(shù)是衡量國家高端制造業(yè)水平的標(biāo)志之一。伴隨柔性微機(jī)電系統(tǒng)需求的日益增長，傳統(tǒng)微納加工技術(shù)又增加了“柔性”需求。上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院副教授胡開明日前對澎湃科技（www.kxwhcb.com）表示，柔性微納制造技術(shù)是當(dāng)下國家極端制造重大戰(zhàn)略需求的關(guān)鍵技術(shù)，未來信息芯片、新型裝備、光電器件均有賴于該源頭性基礎(chǔ)技術(shù)。

今年8月，胡開明入選“上?？萍记嗄?5人引領(lǐng)計劃”獲獎名單，他所從事的“光激勵下表面失穩(wěn)結(jié)構(gòu)控形控性研究”可發(fā)展為一種既非減材制造也非增材制造的新型柔性微納加工技術(shù)，為我國突破光刻技術(shù)封鎖提供了新的技術(shù)路線。

未來信息芯片的源頭基礎(chǔ)技術(shù)

微納加工技術(shù)是衡量國家高端制造業(yè)水平的標(biāo)志之一，區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)械加工毫米級的尺寸量級，微納加工是制造微米和納米尺寸量級微小結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)，尺寸范圍在200微米以下到納米甚至亞納米級別。這一加工技術(shù)起源于微電子，人們常提到的5納米芯片、3納米芯片就是運(yùn)用平面微納加工工藝制成。光刻、刻蝕、沉積是芯片制造中的三大關(guān)鍵工序，也是微納加工涉及到的三大加工工藝。但眼下我國這三大技術(shù)都面臨關(guān)鍵設(shè)備被卡脖子、技術(shù)封鎖自研困難局面。與此同時，柔性可穿戴設(shè)備等柔性微機(jī)電系統(tǒng)的需求日益增長，對傳統(tǒng)微納加工技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)微納技術(shù)針對的是硅基硬質(zhì)材料的制造。材料屬性不同，器件的加工原理和方法自然就要變革。

柔性微納制造技術(shù)成為當(dāng)下國家極端制造重大戰(zhàn)略需求的關(guān)鍵技術(shù)，未來信息芯片、新型裝備、光電器件均有賴于該源頭性基礎(chǔ)技術(shù)。

胡開明團(tuán)隊(duì)的研究為柔性微納制造技術(shù)的研發(fā)找到了一個新的突破口。“我們發(fā)現(xiàn)光可以控制表面失穩(wěn)，我們沿用了光刻原理，在紫外光的誘導(dǎo)下發(fā)生表面失穩(wěn)，利用光控的表面失穩(wěn)結(jié)構(gòu)把材料從A位置變到B位置，通過材料的定向移動讓材料自己跟自己組裝，最后堆成我們想要的微結(jié)構(gòu)甚至鈉結(jié)構(gòu)?！焙_明表示，這種表面失穩(wěn)力學(xué)研究在光刻技術(shù)、功能器件等方面有著重要應(yīng)用價值。光激勵下表面失穩(wěn)結(jié)構(gòu)控形控性研究可發(fā)展為一種新型微納結(jié)構(gòu)的軟光刻技術(shù)，為我國突破光刻技術(shù)封鎖提供新的技術(shù)路線。軟光刻技術(shù)用彈性模代替了傳統(tǒng)光刻中硬模，具有高效、低成本、可制造三維結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、柔性電子、生物科學(xué)等領(lǐng)域。

柔性微納加工技術(shù)的新方向

2011年從中南大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)畢業(yè)后，胡開明進(jìn)入上海交通大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)碩博連讀。博士階段的最后兩年，他前往美國加州大學(xué)伯克利分校機(jī)械系完成聯(lián)合培養(yǎng)。在那里，他認(rèn)識到微納加工技術(shù)的起源與發(fā)展。2017年回國后，胡開明開始反思能否結(jié)合機(jī)械學(xué)科的特點(diǎn)開發(fā)出新的微納加工技術(shù)。

國際上，柔性微納制造技術(shù)主要包括納米壓印技術(shù)和3D、4D打印技術(shù)。上世紀(jì)90年代提出的納米壓印技術(shù)利用光刻膠輔助將模板上的微納結(jié)構(gòu)通過刻蝕傳遞工藝轉(zhuǎn)移到待加工材料上。“原先硅片是毫米級的，通過刻蝕等各種方法把尺度減到微米甚至納米級?！焙_明表示，這種減材制造將材料逐步減小，達(dá)到目標(biāo)尺度。而3D打印和4D打印是一種增材制造技術(shù)，“原來的材料是原子級、分子級的，一點(diǎn)點(diǎn)累積疊加材料，生成目標(biāo)物體。”

“納米壓印技術(shù)國內(nèi)做了很多年，但仍處于跟隨狀態(tài)，3D打印和4D打印是國外首創(chuàng)，如果跟隨已有柔性微納制造技術(shù)，對我們年輕人來說，創(chuàng)新性不足?！绷W(xué)出身的胡開明前期利用光刻、刻蝕等傳統(tǒng)微納加工技術(shù)制造器件時發(fā)現(xiàn)，光可以控制表面失穩(wěn)，摸索一陣后又發(fā)現(xiàn)這可以制成微納結(jié)構(gòu)，于是他大膽提出了一種既非減材制造也非增材制造的新型柔性微納加工技術(shù)，也就是表面失穩(wěn)引導(dǎo)的力學(xué)自組裝技術(shù)。

表面失穩(wěn)結(jié)構(gòu)控形控性的研究不僅為我國突破光刻技術(shù)封鎖提供新的技術(shù)路線，還可以提高光通信加密的安全等級。胡開明介紹說，“我們基于表面失穩(wěn)做了一些微納結(jié)構(gòu)，光在微納結(jié)構(gòu)里會發(fā)生反射、折射和衍射，人為控制光的反射、折射和衍射可以改變光的傳播方向、強(qiáng)度、波長?！蹦壳八蛨F(tuán)隊(duì)正基于表面失穩(wěn)引導(dǎo)的力學(xué)自組裝技術(shù)探索開發(fā)柔性光柵，實(shí)現(xiàn)光操縱，未來可用于光編碼加密技術(shù)、光操縱等信息安全領(lǐng)域，“相對于靜態(tài)光柵，近紅外調(diào)控的動態(tài)衍射光柵具有動態(tài)原位調(diào)節(jié)和切換等優(yōu)勢，可顯著提高光通信加密的安全等級?！?/p>

胡開明表示，可編程光控自組裝結(jié)構(gòu)形成機(jī)理、力學(xué)設(shè)計理論與其在微納制造技術(shù)應(yīng)用研究是當(dāng)前微納尺度力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)，是亟需解決的前沿性基礎(chǔ)科學(xué)問題。大面積、高準(zhǔn)直度、有序自組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造也是關(guān)鍵性微納技術(shù)問題。此外，微納自組裝結(jié)構(gòu)控形控性研究可突破力學(xué)、機(jī)械、材料學(xué)之間學(xué)科壁壘，促進(jìn)多學(xué)科交叉融合創(chuàng)新。

從懷疑人生到堅定方向

獨(dú)自待在實(shí)驗(yàn)室10小時也能坐得住，胡開明享受琢磨新技術(shù)的過程，他覺得自己是適合做科研的性格?；貞浧鹱约旱目蒲薪?jīng)歷，本科階段，胡開明明確了讀研目標(biāo)，但那時候的他并不明白讀研和科研的區(qū)別。進(jìn)入上海交通大學(xué)后，導(dǎo)師告訴他，博士階段一定要完成“華麗轉(zhuǎn)身”，從工程項(xiàng)目思維轉(zhuǎn)換成科學(xué)問題思維，發(fā)現(xiàn)一個科學(xué)問題。摸索過程中，他越來越喜歡科研。琢磨出第一篇SCI（《科學(xué)引文索引》，美國科學(xué)信息研究所創(chuàng)建的一部國際性的檢索刊物）論文的靈感后，“當(dāng)天晚上就在小本本上記下來，晚上興奮得睡不著覺。”

國內(nèi)的求學(xué)經(jīng)歷以力學(xué)理論為主，國外開始接觸設(shè)備、實(shí)驗(yàn)和工藝，這對胡開明來說是180度大轉(zhuǎn)變。雖然他知道這是1+1>2，但胡開明仍然覺得自己“格格不入”，“他們講的很多東西我完全不懂?！彼踔灵_始懷疑人生，質(zhì)疑自己是否適合科研。

最終他調(diào)整心態(tài)，花了三個月狂補(bǔ)微納加工領(lǐng)域的經(jīng)典教材和專著，筑牢基礎(chǔ)后信心倍增。經(jīng)過兩年時間沉心補(bǔ)習(xí)基礎(chǔ)課，他的理論知識與工藝技能融合。在加州大學(xué)伯克利分校時，胡開明用微納加工技術(shù)制備出一個指紋識別器件。

盡管博士階段對微納加工技術(shù)的認(rèn)知薄弱，但對微納機(jī)電系統(tǒng)的力學(xué)分析為他的微納加工技術(shù)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新打下理論基礎(chǔ)，胡開明感慨，“博士階段理論一定要扎實(shí)，后勁才會足。”但他也曾經(jīng)歷過迷茫。博士即將畢業(yè)時，未來究竟要選擇什么方向？是躺在以前的舒適區(qū)，還是在無人區(qū)邁出新一步？胡開明也一度找不到答案。直到2017年博士快畢業(yè)時，他終于找到了科研方向和前行動力?！拔覈谖⒓{加工領(lǐng)域面臨很多沒有解決的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)問題。年輕人應(yīng)該做一些事，把這個領(lǐng)域往前推進(jìn)小小一步?！?/p>

胡開明表示，學(xué)科交叉有利于創(chuàng)新，解決卡脖子難題，要在結(jié)合自身特長、保持核心競爭力的基礎(chǔ)上選擇熱愛的科研方向，找到科研的意義，才能夠長期堅持坐冷板凳?！皥猿?000個小時可以入門，堅持10000小時會成為領(lǐng)域?qū)＜??！蹦壳捌溲邪l(fā)的表面失穩(wěn)結(jié)構(gòu)特征尺寸在10納米級別，胡開明表示，未來將從材料、工藝角度探索研發(fā)5納米甚至3納米的更小尺度結(jié)構(gòu)。同時扎根應(yīng)用，制造1-2個器件開展系統(tǒng)性研究，將表面失穩(wěn)引導(dǎo)的力學(xué)自組裝技術(shù)落地在光操縱領(lǐng)域，并將技術(shù)集成實(shí)現(xiàn)裝備化，“我們不想讓這個技術(shù)只是躺在幾個專利、幾篇論文上?！?/p>

（編者注：本文系澎湃科技與上海科技聯(lián)合推出的“正自廣闊：上?？萍记嗄?5人引領(lǐng)計劃追光報道”系列之一。敬請垂注更多后續(xù)報道。）