中国科学院上海微系统所信息功能材料国家重点实验室欧欣研究员课题组开发“万能离子刀-反向外延”技术，解决传统纳米图形化方法中“极小周期结构”与“大面积制备”难以统一的问题，实现了晶圆级超高线密度光栅器件的制备。该工作从候选的110项研究进展中脱颖而出，入选近日《中国激光》发布的2019年的中国光学十大进展——应用研究类。  

　　欧欣研究员及其指导的博士生贾棋（已毕业，现ASML工作）、黄浩、张师斌等人在2英寸晶圆上实现了＞20000线/毫米光栅结构的高效制备，并与同济大学黄秋实副教授、王占山教授合作将超高线密度光栅结构与高效率X射线多层膜相结合，实验角色散性能比现有成熟技术制备的最高线密度光栅器件（5000线/毫米）高6倍【Nature Communications 10,2437 (2019)】。在国家自然科学基金联合基金重点项目的支持下，该团队与微系统所刘志研究员及上海光源郭智研究员合作正进一步验证超高线密度光栅在同步辐射光源上的应用。

　　光栅是光学和光电系统的核心构造单元之一，是空间探测、同步辐射和自由电子激光大科学装置、激光惯性约束核聚变等国家重大工程的关键部件。光栅的线密度决定了单色器和谱仪系统的色散和分辨率性能。随着现代光学技术的发展，尤其是同步辐射和自由电子激光等大型X射线科学装置的发展，高分辨率X射线谱学技术对超高线密度（超小周期）纳米光栅元件的要求越来越高。传统自上而下的纳米制备技术（包括光刻和电子束直写等）难以实现大面积亚百纳米周期光栅元件的制备，限制了X射线光谱探测分辨率的进一步提升和凝聚态物理中相关科学的发展。

       针对上述问题，该团队首先提出一种基于空位自组装“反向外延”物理模型【Physical Review Letters,111,016101 (2013)】，在理论模型的指导下发展了一种新型超高线密度光栅器件的制备技术。多层膜光栅制备流程示意图如图1，利用低能离子轰击在半导体材料（GaAs）表面激发空穴的自组装过程，形成高度规则的纳米沟槽阵列，沟槽周期达到亚50nm水平，形状类似对称的闪耀光栅结构，光栅线密度相当于2万线/毫米。在此基础上，将超高线密度光栅结构与多层膜相结合，形成三维多层膜光栅结构，大大提高光栅衍射效率，使其可工作在X射线波段；多层膜光栅的高级次衍射也将进一步提高元件的色散性能。

　　图2 为Mo/Si和Cr/C多层膜纳米光栅的色散测试，结果表明：研制的Mo/Si多层膜纳米光栅在87.5eV的X射线能量获得11%的衍射效率；Mo/Si和Cr/C多层膜光栅在90eV和270eV附近获得0.21°/eV和0.093°/eV的超高角色散，比现有技术制备的最高线密度5千线/毫米光栅的色散性能提高4.5-6.3倍。

　　同时，该技术在2英寸晶圆上实现了多层膜纳米光栅的均匀构筑，展现了该方法具有大面积快速制备的独特优势。这项技术不仅为超高分辨率光栅的制备提供了新方法，突破了传统光栅元件色散性能的瓶颈；也为高性能紧凑型X射线光谱仪的发展奠定了基础。该技术已经获得三项中国发明专利和一项德国专利的授权，具有自主知识产权。

　　该项目得到了国家自然科学基金联合基金重点项目、国家自然科学基金优秀青年科学基金的支持。

　　中国光学十大进展”推选活动由中国激光杂志社发起，旨在介绍国内科研人员在知名学术期刊上发表的与光学相关的具有重要学术、应用价值的论文，促进光学成果的传播。

图1 多层膜纳米光栅制备流程示意图(a-c)，制备Mo/Si (d, e)和Cr/C (f, g)多层膜光栅的截面TEM图

图2  Mo/Si和Cr/C多层膜纳米光栅的色散测试结果