华中科技大学集成电路学院曾双双教授团队联合加拿大阿尔伯塔大学Tian Tian教授、瑞士苏黎世联邦理工学院Chih-Jen Shih教授团队，合作开发了一种适用于多种材料的纳米图案化新方法。该研究成果于2025年4月11日发表在《自然-通讯》（Nature Communications）,题为《利用分子束全息光刻技术实现复杂三维表面的直接纳米图案化与自对准超晶格结构的构建》（Direct nanopatterning of complex 3D surfaces and self-aligned superlattices via molecular-beam holographic lithography），华中科技大学集成电路学院为论文第一完成单位。

传统光刻技术通常依赖光刻胶模板，并需通过刻蚀或剥离工艺完成图案转移，工艺流程复杂，且在多材料体系中常受材料兼容性限制。部分现有的直接图案化方法虽简化了流程，但在构建复杂结构或实现高精度对准方面仍存在挑战。

本研究提出一种基于分子束莫尔干涉效应的全新图案化策略，即 “分子束全息光刻技术”。该方法无需使用光刻胶，可对任意可蒸发材料（包括金属、氧化物和有机半导体等）直接形成高分辨率纳米图案，并可适用于复杂三维表面和超晶格结构的构建。其核心原理是通过精确控制材料束流穿过纳米掩膜时的投影角度，使其在衬底上形成类似于干涉光刻中相干激光束干涉的图案，实现高精度自对准与纳米结构控制。

图1. 分子束全息光刻工作示意图

通过控制沉积过程中的倾斜角度，从不同角度穿过掩膜结构的分子束可以形成一维沉积叠加，获得如下图所示的莫尔图案。

图2. 一维沉积叠加获得的莫尔图案

通过对沉积过程中倾斜角度和旋转角度的协同调节，结合我们自主开发的计算光刻算法，可以形成二维沉积叠加获得下述的复杂三维表面。

图3. 二维沉积叠加获得的复杂三维表面

此外，利用分子束全息光刻的自对准特性，我们成功实现了多种材料图案的自对准叠加，从而构建了从二元到五元的超晶格结构，关键尺寸和图案叠加精度分别达到约50纳米和2纳米的量级。

图4. 不同材料沉积形成的自对准超晶格结构

该工艺有望大幅拓展材料组合的边界，为在任意基底上实现具有平移对称性的复杂超结构的高通量制备提供可能，进而推动新兴纳米成像、传感、催化与光电子器件的发展。