澳科大創新工程學院材料科學與工程系歐清東課題組在二維材料納米光學與芯片檢測交叉領域取得新突破

近日，澳門科技大學創新工程學院材料科學與工程系歐清東助理教授團隊在二維材料納米光學技術應用領域取得重要進展。該團隊首次利用天然二維材料氧化鉬中的超低損耗聲子極化激元（納米光波），實現了基於光學無衍射傳播效應的超分辨成像技術，為無損檢測納米芯片電路提供了新方案。相關工作近日以"Natural van der Waals Canalization Lens for Non-Destructive Nanoelectronic Circuit Imaging and Inspection"為題發表於國際權威學術期刊Advanced Materials（影響因子27.4）。

自集成電路問世以來，光學檢測技術始終是半導體晶圓製造的「品質守門員」。這項技術通過明場檢測和暗場散射等技術手段，為芯片生產提供快速、無損的品質檢測方案，在保障芯片良率方面發揮著關鍵作用。然而，隨著芯片制程進入納米級時代，傳統光學檢測技術正面臨根本性挑戰。當前主流檢測技術各存局限：明場檢測雖具備高解析度，卻難以辨別細微缺陷；暗場技術雖擅長捕捉表面異常，但對隱藏在芯片內部的缺陷束手無策。而能夠實現納米級精度的原子力顯微鏡，又僅能掃描表面結構，無法透視多層芯片的內部構造。隨著摩爾定律逼近物理極限，人工智能芯片和量子芯片的複雜程度與日俱增。現代芯片往往採用三維堆疊等創新架構，內部結構複雜度呈指數級增長，需開發新一代檢測技術，既要能實現納米級解析度，又要具備透視多層結構的能力，同時還要保證檢測效率。

在澳門科技發展基金與國家自然科學基金委聯合資助項目的支持下，澳科大歐清東助理教授與廈門大學陳煥陽教授聯合團隊創新性地將暗場散射光學與原子力顯微鏡技術相結合，利用天然雙軸氧化鉬二維材料開發出渠道化光學透鏡，成功實現了表面及內部結構的超高分辨成像。這項技術可達15納米的空間解析度，並能檢測100納米以下的柵格間距。該技術的核心突破在於氧化鉬晶體獨特的天然各向異性特性。其原子級晶胞結構和雙軸對稱性，通過平帶渠道化機制實現了倏逝波和傳播波的無衍射傳輸。與傳統超透鏡相比，新技術具有三大顯著優勢：克服了等離子體損耗大的缺陷、解決了加工精度不足的難題、突破了單軸成像的限制。

▲基於二維材料α-MoO3的渠道化透鏡工作原理

研究團隊已成功將該技術應用於納米級電子電路的內部結構檢測，為下一代半導體晶圓製造提供了一種新型檢測方案。有評論指出，這項工作可能為顯微與光刻技術研究帶來一定的啟發：能夠「看清」以往無法觀測的納米級細節，猶如為科研界配備了一台「納米超清望遠鏡」；基於該技術開發的新型光刻設備，有望在晶圓表面刻制更微小、更複雜的電路圖案。

▲二維材料超分辨成像技術在納米芯片電路檢測中的應用

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綜上所述，該研究成功製備了基於無需光刻的二維材料超高解析度成像透鏡，其成像性能顯著優於以往報導的亞波長超透鏡。鑒於近期二維光學材料的不斷發現，此類超分辨成像技術可以在太赫茲或可見光波段拓展實現。該技術基於低損耗二維材料平台，為突破衍射極限的近場顯微成像提供了新途徑，有望推動納米結構與生物分子的三維光學成像研究。

本論文的第一作者為澳科大歐清東助理教授、廈門大學薛淑雯博士，通訊作者為歐清東助理教授、中國地質大學（武漢）戴志高教授、廈門大學陳煥陽教授和上海理工大學Qiaoliang Bao教授。澳科大創新工程學院在讀博士生鍾港與博士後劉晶瑩參與了這項研究。該工作得到了澳門科學技術發展基金（FDCT 0065/2023/AFJ, 0116/2022/A3），國家自然科學基金（No. 52402166）和廣東省自然科學基金（No. 2025A1515011120）等項目資金支持。

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