研究背景与意义
电子束光刻（EBL）是制备纳米器件的核心技术，但传统流程需有毒有机溶剂显影 + 反应离子刻蚀（RIE），不仅引入CF₄、SF₆等温室/毒性气体，还严重损伤样品质量与环境。尤其在芯片级纳米材料集成领域，现阶段缺乏绿色、高分辨率、无刻蚀的直写方案，导致复杂异质结与功能器件制备困难。
如何实现全水、无刻蚀、线宽<20 nm的芯片上纳米材料直接打印，成为微纳加工与集成电路领域亟待攻克的绿色制造难题。
核心突破：全水无刻蚀电子束光刻（All-Water Etching-Free EBL）
南京大学超导电子学研究所张腊宝教授团队，首次提出全水无刻蚀电子束光刻技术，利用糖类+聚乙烯亚胺（PEI）+金属离子水溶液前驱体，在电子束作用下原位共聚交联，实现芯片上多种半导体纳米结构的直接打印（图1b）。
关键机制：
1. 电子束诱导糖羟基/醛基与PEI胺基共聚交联，暴露区由水溶性转为不溶（图2a-b）。
2. 纯水显影（3秒），去除未暴露区。
3. 热处理（空气/硫化/氮化氛围）将有机骨架热解，金属离子原位成核生长为高纯半导体（图2c-f）。
实验验证与极致性能
1. 分辨率极致：最小线宽18 nm，高宽比达6:1（图3d）。
2. 材料普适性：成功打印氧化物（ZnO、Nb₂O₅）、硫化物（MoS₂）、氮化物（TiN）等多种半导体（图4）。
3. 器件性能优异：ZnO纳米线场效应晶体管
迁移率3.94 cm² V⁻¹ s⁻¹。
开关比>10⁵。
欧姆接触良好（图5）。
4. 绿色环保：全程纯水显影、无毒气体、无真空刻蚀，工艺仅4步（图1）。
科学意义与应用前景
1. 范式突破：首次实现全水、无刻蚀、高分辨率的芯片上纳米材料直写，从“自上而下”转向“自下而上”绿色制造。
2. 性能指标领先：线宽18 nm+多种半导体兼容+器件级电学性能，全面超越传统EBL。
3. 应用潜力巨大：
集成电路：绿色替代传统光刻+刻蚀工艺。
量子/光子器件：快速原型化复杂异质结与纳米结构。
柔性电子：水溶液前驱体兼容柔性衬底。
生物电子：无毒工艺适用于生物兼容器件。
可扩展至数百种金属离子，实现“打印即用”纳米材料库。
图文导读
图1：传统EBL vs 全水无刻蚀EBL
(a) 传统流程（6步+有毒气体）。(b) 本工作流程（仅4步，全水+热处理）。
图2：无刻蚀机制
(a) C-K边NEXAFS：糖羟基/醛基消耗。(b) N 1s XPS：胺基转叔胺。(c) ZnO生长温度依赖XRD。(d-f) 原位TEM：电子束+热诱导Zn原子固定化成核。
图3：分辨率极限
(a) 剂量优化（300 μC/cm²最佳）。(b) 糖/PEI比例优化（1:1最佳）。(c) 导电衬底必要性。(d) 最小线宽18.4 nm（SEM+AFM）。
图4：多种半导体打印
(a-c) Nb₂O₅三角阵列。(e-h) MoS₂圆阵列（Raman证实多层）。(i-l) TiN网格（高结晶度）。
图5：ZnO纳米线器件性能
(a,b) HRTEM显示多晶结构。(c) 带隙3.3 eV。(d) I-V线性（欧姆接触）。(e) 转移曲线（开关比>10⁵）。(f) 不同沟道宽度调控阈值电压，迁移率3.94 cm² V⁻¹ s⁻¹。
论文信息
成果以“All-Water Etching-Free Electron Beam Lithography for On-Chip Nanomaterials”为题，发表于纳米领域顶级期刊《ACS Nano》（影响因子17.1）
文献来源
Xiaohan Wang, Xiao Dai, Hao Wang, Jiong Wang, Qi Chen, Fengnan Chen, Qinghua Yi, Rujun Tang*, Liang Gao, Liang Ma, Chen Wang, Xiangyi Wang, Guanglong He, Yue Fei, Yanqiu Guan, Biao Zhang, Yue Dai, Xuecou Tu, Lijian Zhang, Labao Zhang*, Guifu Zou*. “All-Water Etching-Free Electron Beam Lithography for On-Chip Nanomaterials” ACS Nano 2023, 17, 4432–4440