圣诞节，做个纳米级纯金贺卡送给ta！

诺你一生

DIYer： N3r0n        制作时间：大约12小时        制作难度： ★★★★★        GEEK指数： ★★★★★

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大三了依然浑浑噩噩，research上毫无建树。打算离开lab离开大学去游山玩水半年，感谢一路支持我的朋友。圣诞节快到了，在平常闲暇的时候顺手做了个小贺卡送给你们。
切入正题 “史上最小！纯金！圣诞贺卡”
因为涉及到太多专业设备，一般DIYer重复起来会有困难，不过你是物理系或者材料系的本科生会容易很多，当然PhD就更方便啦。成本上需要取舍，资金充裕就用纯金，纯银或者别的金属也都可以。贺卡的大小取决的你要送的人的能观测到分辨率。本来要做纳米（nm）级的，但是我的朋友只有光学显微镜，那就只能做微米级（μm）的啦。你可不想你的朋友没法观测到你的贺卡吧！
可能有用的一些背景知识：
扫描电子显微镜原理        电子束刻画原理双向电梯
# @3 V: Y7 J( p: @! R1 H9 c+ l1   基本准备        2   器材和材料        3   准备硅片        3.1   清洗硅片                3.2   甩胶                4   电子束蚀刻        5   冲洗        6   蒸镀纯金        7   清洗        8   观察(扫描电镜)        9   后记 1   基本准备

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手绘圣诞卡很酷，也很有心意，做这样一个圣诞卡朋友肯定会很感动了。但是在肉眼分辨率极限的情况下，手绘肯定是不可能的，我们需要机器来帮我们画出很小很小的文字和图片，所以我们就要做些机器能看得懂的设计，比如CAD。
+ G; z+ t2 a3 Q4 Y$ g$ l 唯一比较麻烦的是，所有的形状必须是线条，这就需要手工画线。甚至文字都不能使用CAD自带的添加文字选项，原因是在用电子束蚀刻时需要使用另外的软件把图形编程为电子束移动的轨迹，识别范围只限于线段。我是把26个字母一个一个描出来的，遇到S、B这样的带拐弯字母需要很小心，得注意弧度的变化，为了让字母看上出顺滑，你可以不停变化适用不同弧度的曲线或者沿着边缘一顿狂点用很多段细微的直线包围曲线，这和积分是一个道理 :)。所以少年们选个简单点的字体吧，要是用飘逸的花体，你可能得花上两个小时作出abcd来。
然后用字母拼出正文吧。为了看上去生动一点，只有文字是不够的，准备加些图片。既然是圣诞节嘛，就要画点特色的东西。怪只怪小学美术老师没教好，造就了我野兽派的画风。仿真逼真的圣诞树比如这个：

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实在是画不出来，试了好久，最后用狂草的风格终于花个一棵看上去是那么回事的圣诞树。外加一棵小星星~
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点缀完后还不满意，应该再画些什么呢。怕万一字太小了，朋友看不到是写给自己的。觉得应该选张朋友的照片放上去。嗯，需要一张照片，改成黑白风格的，因为尺寸太小，颜色的意义不大，显微镜下作出彩色的贺卡太考验人啦! 不会PS，现学删背景，调对比度，明暗，因为本来照片就偏暗，很多细节一调对比度就没了， 又不好意思问人家再要一张照片啦，折腾了一晚上4，5个小时终于把想要的效果做出来啦。

圣诞节，做个纳米级纯金贺卡送给ta！

注意这仅仅是视觉效果，同样用来编程的NPGS（纳米图形编程）系统可不懂jpg图片，为了让机器认出来，开始在图像上画线，这和描红是一个道理。电子束很小，如果用来画满真个图像需要很长的时间，而且不利于机器寿命，所以又是用一维线段占领二维空间，在每个像素的格点上花一条小线段。为了丰富视觉效果，还是把线段改成了圆圈。继续优化已减少机器的工作时间，索性把圆圈改成了C字型，能省一段是一段，而且像是下方有光线打过来的感觉，看上去更加有层次感。
2   器材和材料软件：
7 c; n: C! ]+ G( ?CAD类软件        纳米图形编程系统（NPGS -Nanometer Pattern Generation System硬件：
/ {& N9 j* N/ O% f3 S扫描电子显微镜（SEM）        光束抑制器（Beam blanker），其实就是一个平行电容板，可以偏转电子束，来操纵某一区域是否需要曝光。        真空热蒸发器（Vacuum Thermal Evaporator）        旋转镀台（Spin coater）        加热台（Hot plate）化学药品：
, d0 V( l- b/ I2 x9 k光刻胶甲基丙烯酸甲酯 MMA (methyl methacrylate)        1g纯金 3   准备硅片3.1   清洗硅片我们需要一个干净而且亲水的表面。简单的用等离子氧气清洁一下硅片就可以了，打破表面的悬挂键还有一些有机物，会让表面更加亲水。下文滴MMA的时候会在表面均匀扩散开，不然疏水的话液体会在表面形成一个球滚来滚去，就像荷叶上的水珠一样。
6 D$ d; S  C1 ]" F8 k: d' T; ^, U2 V 3.2   甩胶其实也就是制作胶卷，等下电子束蚀刻的时候需要一个介质来“曝光”。
* i7 Y, w5 n2 B. O% c' f  J用普通的光刻胶MMA甲基丙烯酸甲酯铺满整个硅片，甩胶机是使用真空吸住硅片，使其在高速时依然能附着在旋转台上。滴MMA时注意不要滴到下面的平台上避免堵住真空洞，否则硅片在高速旋转的时候会飞出。开到1万转，然后等候一分钟胶质被均匀的涂在硅片上就好了。匀质的一层是再好不过的啦，不能有气泡。甩的不好的话就要重新来过啦，MMA容易在丙酮下分解，可以泡在丙酮里去除已经甩上的胶，然后吹干再重头来甩胶。
4   电子束蚀刻电子束蚀刻是指使用电子束在表面上制造图样的工艺，是光刻技术的延伸应用。 简略地，在硅片表面铺有一层光刻胶MMA，这种胶的特点是易溶解于丙酮，同时被电子束照射后也会分解。使用电子束在其表面移动，被照射的区域分解后可以使用显影剂MIBK彻底去除，而未被电子束照射过的区域不会被MIBK溶解。显影以后，我们刻画图像的区域上的光刻胶都被去除了，只剩下硅片的基底，剩余的部分依然是由光刻胶覆盖，像是负片的效果。
然后我们把负片放去蒸发器里镀金，通过加热固体黄金产生金蒸汽，这些金属蒸汽会均匀的覆盖在负片上。贺卡的区域是由硅片-黄金直接接触，而没有刻画的区域是由硅片-光刻胶-黄金三层组成的。
+ |! I% H0 d& x& B4 U5 h. D; [& z) I这时候把整片硅片放在丙酮里加热，光刻胶会被溶解，而其表面的黄金会和光刻胶一起从硅片上脱离，而贺卡那部分因为是黄金直接附着在硅片上，丙酮不能将其分离开，也就留下了黄金做成的贺卡。
3 _& _& O9 w2 F0 E; Y+ O' J这个原理和胶片相机成像非常类似，光刻技术的精度受到光子在波长尺度上的散射影响。使用的光波长越短，光刻能够达到的精度越高。像Intel的45nm处理器就是利用紫外（UV）光刻技术制作出来的。但是光刻需要一个遮罩（mask）来遮挡，如果直接放在处理器上会污染遮罩，重新使用的话需要清洗，成本会很高，Intel是在遮罩下再加一个透镜用来聚焦，这样避免了遮罩的污染但是由于散射的原因精度不高。 根据德布罗意的物质波理论，电子是一种波长极短的波。这样，电子束曝光的精度可以达到纳米级。电子束曝光需要的时间长是它的一个主要缺点。
商业化的电子束蚀刻系统（EBL）很贵 （>$4M USD）,对一般研究来说，常见的方法是把一台SEM改装成EBL，花费会小很多（
书写时间，在给定剂量的情况下要曝光一个区域的时间是用这个公式：
D·A=T·I
3 d' v0 ]5 ]$ fT=曝光时间        I=电子束电流        D=剂量        A=曝光区域举个栗子，假设要曝光1cm2的区域，用10-3Coulombs/cm2（库仑/平方厘米）的剂量和1 nA （纳安）的电流，那么我们要用时106秒，也就是12天。这还不包括载物台来回移动和电子束被blanked？ 偏转的时间，当然校准电子束和中途调整的时间也没有算在里面。你可以看到EBL最大的缺点就是慢，这也就是我为什么在准备的时候拼命压缩刻画的线条数。
NPGS软件的使用可以在官网找到。这里不过是简单的应用，把做好的CAD文件经由NPGS编写为控制电子束移动和偏转的一段程序代码。然后校准SEM的电子束，调节焦距，测量电子束的电流用来计算剂量和时间。需要把这些信息输入到NPGS里。
同时SEM和NPGS是两套系统，这也需要人为校准两个系统间的坐标误差，测量一个2X2的坐标轴转换矩阵来保证两套系统里的坐标对应同一个物体。
之后就可以做蚀刻，贺卡因为尺寸比较小，用Picoamp（微微安）级的电流就可以了，用时1.14秒。为了能够以后在显微镜下轻易的找到他，在外围做了三个记号，尺寸也大了很多，可以用10-9纳安级的电流，用时5秒多。
. @( W) q/ ^4 E2 B! \8 k 5   冲洗和相机胶片的冲洗相似，把写好的硅片放在显影剂MIBK里，像晃动胶卷一样轻轻振动一分钟就好了。
6   蒸镀纯金

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你需要这样的金柱一块。
现在国际金价飞涨，用银或者别的金属都是不错的选择。
$ G) {2 j- }8 F$ N! T& Y( d镀金的原理就是用电流加热金块，使其蒸发，金的蒸汽会落在硅片表面形成一层均匀的薄膜，几十到一百纳米即可。有非常灵敏的探测器来测量薄膜的厚度。
因为是适用蒸汽，务必注意重金属中毒。同时也要求极高的真空度，10-6Torr（托）, 需要等待3-4个小时使得真空度达到标准，防止空气中的颗粒分子污染样品。
) @# P( n3 f$ m5 @! _( Q 7   清洗因为蒸镀的过程中，全部的硅片表面都会被覆盖上一层纯金，而我们只想要写上去的图案有黄金覆盖，那么剩下的金必须被全部去掉。有点浪费啊 T.T
5 ~) H% V7 w0 t9 T' Z- A5 L这也就是前文甩胶机甩上MMA的原因，被电子束照过的地方在经过冲洗后就溶解掉了，蒸镀的时候黄金可以直接附着在硅片表面上。而没有被电子束照射的地方，冲洗的时候没有影响，黄金下面是MMA胶片，而MMA又是在丙酮下可以溶解。所以放在丙酮溶液里加热一段时间等候黄金脱落。
4 ?: F% ~% s) b3 t0 `0 G0 P0 G

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这是清洗前的照片，清洗后连肉眼都看不到金灿灿的黄金啦（这是有多浪费呀）。
8   观察(扫描电镜)附上光学显微镜和电子显微镜的照片。
* S3 G+ ]3 w) C% H% Q

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这是眼睛的特写，你可以看到每一个C字型图案都是一个直径50nm的纳米管。
' c5 ]7 K( {8 ]: Q- w

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在后期去除多余黄金时，文字也有部分会被丙酮冲洗掉。
光学显微镜的景深太小，字看清楚的话人像就模糊了。还是SEM大景深看得比较清晰，但是找起来实在太辛苦啦。写了很多个，你也可以看到很容易失败。
+ t' \+ T; h7 T, ?! M 9   后记May you all have a joyful Christmas.

经过网友们一致吐槽，本文难度由4星修订为5星级....

xingceng

我觉得这种地方用侧面像效果会好一些……证明像对细节要求更高，所以没法做出太多细节的地方，比如硬币表面，都用侧面像，而纸币能做出更多细节，喜欢用正面像……