中国书法讲求精准和灵巧的笔触,对一笔一墨的书写也甚有要求,所以才成最为人欣赏的艺术。诸如光刻技术需要高阶设备和技术配合,工业过程精巧且复杂,足以被视为工艺的一种。要掌握电子制造工艺亦非容易,能将中国传统书法及钢笔使用的普通黑色墨水联想到用来优化整个技术流程则更难。香港中文大学(中大)研究人员发现,书法用墨水是一种有效且最佳的「万能墨水」试剂,在繁琐的工业程序中,可用于生产微型晶片、修复电路板的断线位置,甚至应用于精准的医疗设备中。

中大物理学助理教授杨森教授(右)及研究生陈一帆同学(左)。

物理学中的笔迹

用于材料加工过程的传统沉积技术对于制作微晶片从来都是一项挑战。从蚀刻、蒸镀至剥离,这些化学过程的不确定性很大,稍有不慎都会令制作失败,更遑论在电路板上打印精细图案,难度甚至比在直径只有0.18毫米的头发上书写更高。

中大物理系助理教授杨森教授为研究团队核心成员,闲时喜欢做手作的他指出现时光刻技术的另一挑战:「精确的定位是量子光学中重要的一环。对于当前技术而言,要做到准确定位且具高解析度的晶片确实会受制于其复杂又苛刻的条件。」

在一次偶然的机会下,普通的书法墨水为团队带来新构想。同为研究团队成员的前中大物理系研究助理教授夏慷蔚博士(现就职于德国斯图加特大学),某天在家中练习书法时灵机一触,好奇墨水究竟能否活用于光刻领域上。

杨教授与研究团队在坊间搜罗不同的书法墨水进行测试。

团队随即搜购坊间文具店的书法墨水,进行力学、电磁力、热学等多项相容性测试后发现,多种碳素墨水均具备关键素材── 半导体纳米颗粒。杨教授称:「我们发现这些半导体纳米颗粒粗度少于100纳米,能达非常高精细度,令人惊讶!我们甚至能透过墨水绘制少于1纳米的点或线,即便更复杂的图形都不会构成很大的障碍。」另一团队成员研究生陈一帆同学在示范打印时表示:「这个仅250微米大的中大校徽以铂金绘制,大小如同12根头发,不能凭肉眼看见,只能透过显微镜才能清晰看到。」

以铂金打印的中大校徽,白色比例尺代表50微米。

利用一台简单的激光直写装置写入激光,加入金属后的碳素墨水便成具黏合作用的金属纳米颗粒溶液,简称「万能墨水」。简而言之,光电效应有助于将「万能墨水」中的金属离子变成金属本身,而激光可以将这些颗粒推到玻璃、石英和胶带等不同基材上的理想沉积位置。 此外,墨水中的金属成分选择广泛,不必顾虑金属与不同材料成分或基材上的不相容问题。

较低的生产成本及具环保效益亦是新技术发展潜力下的另外两种显著优势。此技术的唯一指定条件是添置家用激光直写装置和书法墨水,甚至无需传统的昂贵除尘室。有别于传统光刻工艺,在新的沉积技术下残留的溶液可被清水冲洗掉并循环使用,不会产生大量对环境有害的溶剂和化学废物,造成污染。

这种相对简易的制作方法省却了金钱、人力和时间等成本,应用广泛,适用于原型设计、定制穿戴式设备如临床助听器,甚至珠宝设计等,无疑成为推动工业领域发展的动力,并为晶片技术带来新希望。

研究团队正示范于玻璃基材上打印中大校徽。

开创行业新常态 始于好奇心

杨教授分别于美国及德国取得博士学位后,于2016年加入中大。他相信好奇心是激发他对物理学的热情的主要动力。杨教授笑言:「物理学很好玩,我们团队对所有事情都很有求知欲,都是为了玩而做!」 这就是研究团队如何将看似无关的书法墨水与工业发展联系起来的关键。该研究已在《自然通讯》(Nature Communications)上发表,大学已为这项新技术申请了专利。请按此参阅研究论文。

大小为100微米的微型铂金制加热电路。
3D打印的金属地形图。