研究前沿|三维纳米尺度制造与成像：一种用于原位和超分辨率表征的多模态方法

引言：随着多光子激光直写（Two-photon polymerization direct laser writing, TPP-DLW）技术不断突破衍射极限，三维微纳结构的制造分辨率已推进至几十纳米尺度。然而，与制造精度的快速提升相比，针对复杂三维纳米结构的表征手段在分辨率、原位性和无损检测能力方面仍明显滞后。传统扫描电子显微镜和原子力显微镜虽然具备纳米级分辨率，但依赖显影和样品处理，难以实现三维内部结构的非破坏性表征，也无法为制造过程提供即时反馈。如何在保持高分辨率的同时，实现三维纳米结构的原位、实时与非侵入式表征，已成为制约高可靠纳米制造的重要瓶颈。针对上述矛盾，浙江大学刘旭、匡翠方教授团队提出了一种将三维超分辨纳米制造与多模态光学表征深度融合的技术方案，其核心创新在于重新认识并利用光刻胶体系本身的光物理特性。相关研究成果以“3D nanoscale fabrication and imaging:a multimodal approach for in situ and super-resolution characterization”为题，发表在权威期刊《International Journal of Extreme Manufacturing》（影响因子，21.3）上。

摘要：纳米级光学制造与表征技术的协同创新是攻克三维精密制造瓶颈的关键。本研究报道了7-二乙氨基-3-噻吩酰香豆素（ 7-diethylamino-3-thenoylcoumarin,DETC）在光刻胶中具有的新型自报告功能，该材料兼具超分辨光引发剂和本征荧光团特性，同时表现出受激发射损耗（ stimulated emission depletion,STED）特性及聚合依赖的荧光寿命特性。通过开发一种将STED启发的边缘光抑制（ periphery photoinhibition,PPI）打印技术与双模成像相结合的系统，团队实现了原位表征与超分辨质量验证的同步进行。具体而言，PPI成像技术对40nm线宽的印刷线条实现了50nm的横向分辨率，并可分辨出200nm的轴向间隙。此外，针对未显影的光刻胶结构，原位荧光寿命成像（ fluorescence lifetime imaging,FLIM）技术利用DETC的荧光寿命偏移特性，获得了可与共聚焦显微镜相媲美的纳米级分辨率。这种协同成像策略不仅解决了分辨率与无损检测之间的权衡问题，更为复杂三维纳米器件的闭环优化构建了全新范式，对纳米光子学、精密生物传感及超高密度光存储领域具有深远意义。

创新点与技术路线

研究团队发现，常用光引发剂7-二乙氨基-3-噻吩酰香豆素（DETC）不仅能够作为边缘光抑制（PPI）直写中的超分辨光引发剂，还同时表现出可被耗尽的荧光行为以及与聚合状态密切相关的荧光寿命变化。基于这一发现，团队构建了一套集PPI超分辨打印、荧光寿命成像（FLIM）原位监测以及STED启发式PPI超分辨荧光成像于一体的集成系统。在该系统中，DETC同时承担了“写入—成像—状态判别”三重功能，使制造与表征首次在同一材料体系和同一光学平台内实现物理层面的耦合。

在技术路线设计上，团队成员通过飞秒激光实现两光子聚合，利用皮秒激光在空间上构造空心光场以实现周边光抑制，从而获得亚50nm尺度的打印分辨率；在表征层面，则分别采用FLIM对未显影结构进行原位成像，并在显影后利用PPI超分辨荧光成像对最终结构进行纳米尺度质量验证。该多模态方案形成了一种“制造—监测—验证”闭环结构，为三维纳米制造的过程控制提供了新的技术范式。

a) 吸收光谱（紫色）和445nm激发下的荧光发射光谱（绿色）。

b) 不同激发功率下的荧光强度（橙色曲线）和不同损耗功率下的荧光强度（蓝色曲线）。

c) 不同脉冲延迟下的荧光强度。插图：描述荧光受激发射损耗模型的能级图。

d) 光漂白测试结果。

e) 所提出装置的示意图。主要部件：M，反射镜；DM，二向色镜；WP，波片；PBS，偏振分光镜；BS，分光镜；GS，电流计扫描器；SL，扫描透镜；TL，管透镜；OL，物镜；PMT，光电倍增管；APD，雪崩光电二极管。底部插图：三种激光脉冲在(i)PPI-DLW模式、(ii)实时FLIM模式和(iii)原位PPI成像模式下的序列图。右上角插图（蓝色虚线框内）：打印模式和成像模式下样品的放大视图。

f) DETC在固化和未固化光刻胶中的荧光寿命。

g) 该研究中用于PPI的空心斑点。

关键结果

在制造性能方面，团队系统展示了基于PPI-DLW的三维超分辨打印能力。实验结果表明，该方法能够稳定制备横向线宽约40nm的纳米结构，线边粗糙度维持在纳米量级，体现了良好的工艺稳定性。在二维光栅及复杂三维悬空结构中，该分辨率均得到了重复验证，显示出该方法在不同结构形态下的普适性。

a) 周期为1μm的印刷光栅结构的SEM图像及其放大图，展示了小于50nm的特征尺寸。

b、c) 共聚焦显微镜和PPI显微镜的荧光图像，左下角插图为耗尽斑类型（与后续图中相同）。

d) 沿(b)和(c)中虚线#1的归一化强度分布图，测得的半峰全宽(FWHM)分别为190nm和50nm。

e) 沿(b)和(c)中虚线#1至#5的强度分布图的测量FWHM。标尺表示相同位置的共聚焦FWHM和PPI FWHM的比值。

f、g) 周期分别为200nm(f)和150nm(g)的光栅结构的共聚焦、PPI和SEM图像。比较了共聚焦和PPI图像中沿虚线的强度分布，结果显示在(f)和(g)的左下角。

在显影后的结构表征中，基于PPI的超分辨荧光成像显著优于传统共聚焦显微成像。定量分析表明，PPI成像的横向分辨率可达约50nm，相比共聚焦成像提升约3–4倍；在轴向方向上，该方法能够清晰分辨200nm量级的结构间隙，并成功解析复杂三维字母结构及内部空腔结构，这一能力是常规光学成像难以实现的。

a) 打印结构的三维模型，并标示了关键参数。

b) 打印结构在45°角的扫描电镜(SEM)图像。图中标记了该角度下纳米线（标记为#1至#4）的测量线宽。

c、d) 分别为使用共聚焦(c)和PPI成像(d)通过光学切片重建的三维图像。

e、f) 分别为重建结构的俯视图。插图框显示了沿蓝色虚线的横截面视图。

g) 沿相应虚线的强度分布图，并标示了半峰全宽(FWHM)。蓝色：共聚焦；红色：PPI。

h) 两种不同尺寸的打印字母结构在45°角的扫描电镜图像。

i、j) 分别为使用共聚焦和PPI成像重建的两种尺寸字母结构的图像。

j）右列：字母“E”在yz平面上的中心横截面图像。

更为关键的是，团队利用DETC在聚合前后荧光寿命的差异，首次实现了对未显影结构的原位三维成像。FLIM成像结果显示，其在二维和三维结构上的成像质量与显影后的共聚焦结果高度一致，尽管其分辨率仍受衍射极限约束，但已足以用于制造过程中的结构判别与参数反馈。这一结果表明，在不引入额外标记物或破坏样品的前提下，实现纳米制造过程的原位监测是可行的。

a) 结构全视图，关键尺寸参数在模拟模型图像中标记。

b) 使用共聚焦和PPI成像重建的结构。部分壳层被隐藏以显示光栅。

c) 单层结构的共聚焦和PPI图像对比。左上：共聚焦图像；右下：PPI图像。

d) 模拟模型的俯视图（右上）和侧视图（左下）。

e) 打印塔状结构的SEM图像：45°视角下的完整塔状结构（上图）、俯视图下的部分塔状结构（中图）和45°视角下的部分塔状结构（下图）。

f) 使用共聚焦和PPI显微镜重建的塔状结构的荧光图像。

g)（f) 中重建塔状结构的中心横截面视图。

h、i）沿（d）中标记为①至⑤的虚线的横截面图像，比较共聚焦图像和PPI图像。

未显影纳米结构的原位监测为工艺优化提供了重要途径，是纳米制造控制领域的关键突破。利用DETC独特的聚合依赖性荧光寿命偏移，团队将FLIM集成到PPI-DLW系统中，实现了无需显影的原位表征——这是SEM或探针掺杂超分辨显微镜根本无法实现的能力。为了展示FLIM用于原位成像的性能，研究人员在打印后立即使用FLIM对二维（一个LOGO）和三维（C60）结构进行了成像。成像结果如图5所示。

a-d)显影前通过FLIM获得的印刷标志结构图像。

a) 原始图像）；b) 时间门控图像。

c、d) 显影后对应的共聚焦图像(c)和SEM图像(d)，用于比较。

e) C60结构的模拟模型。

f) 印刷C60的SEM图像。

g) 通过FLIM获得的C60结构三维重建时间门控图像的Z轴投影、俯视图和透视图。

h) 通过共聚焦成像获得的C60结构三维重建图像的俯视图和透视图。

i、j) 沿(e)中标记为①至②的虚线的横截面图像，比较了时间门控FLIM图像和共聚焦图像。FLIM的时间门控图像使用ImageJ中的去斑滤波器进行处理。

局限与展望

尽管该方法在理念和性能上均取得了显著突破，但仍存在一定局限性。当前体系对DETC兼容光刻胶的依赖，在一定程度上限制了材料体系的通用性；同时，PPI成像过程中仍不可避免地面临光漂白问题。此外，FLIM成像受限于衍射极限，其分辨率尚无法与超分辨制造完全匹配，且由于扫描速度差异，目前尚未实现真正意义上的实时同步成像。未来工作可通过发展新型荧光光引发剂、引入更高速的并行探测方案，以及探索抑制光致聚合的寿命成像策略，进一步推动三维纳米制造向智能化、自优化和实时闭环控制方向发展。

研究意义

该研究首次在三维纳米制造领域实现了“制造分辨率与表征分辨率相匹配”的一体化方案，从根本上缓解了高精度制造与低效表征之间的长期矛盾。通过将原位FLIM成像与超分辨PPI成像相结合，团队构建了一种覆盖“原位监测—终态验证”两个关键阶段的多模态表征框架，打破了长期以来高精度制造与低效表征之间的割裂状态。这一思路对于推动三维纳米制造从经验驱动向过程可控转变具有重要意义。

从应用层面看，该研究为纳米光学器件、复杂三维微纳结构以及高密度光存储等方向提供了可靠的工艺与表征支撑。尤其是在需要精确控制三维结构形貌和内部细节的应用场景中，这种非破坏性、高分辨率的成像能力有望显著降低工艺开发成本，提高结构一致性和良率。除此之外，该研究所体现的“材料自报告”理念，为未来纳米制造的智能化发展提供了重要启示：通过在材料层面引入可被光学读取的状态信息，有可能在不显著增加系统复杂度的情况下，实现真正意义上的闭环优化与自适应制造。

文章来源：Qiulan Liu, Jisen Wen, Liang Xu, Zhenyao Yang, Chun Cao, Shangting You, Gangyao Zhan, Yiwei Qiu, Wenjie Liu, Xiaobing Wang et al.

文章网址：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/ae289e

DOI:10.1088/2631-7990/ae289e