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作者

刘秋兰^1,2,§，温积森^1,2,§，徐良¹，杨臻垚^1,2，曹春^1,3，游尚挺¹，詹刚垚²，邱毅伟²，刘文杰^1,2，王宵冰²，匡翠方^1,*，朱大钊^1,4,*，陈世祈^5,*，刘旭^1,*

机构

1. 浙江大学 

2. 之江实验室

3. 杭州电子科技大学

4. 杭州玉之泉精密仪器有限公司

5. 香港中文大学

Citation

Liu Q L et al. 2026. 3D nanoscale fabrication and imaging: a multimodal approach for in situ and super-resolution characterization. Int. J. Extrem. Manuf. 8 025008.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae289e

文章导读

三维纳米制造已实现数十纳米的加工精度，但其质量表征仍面临关键瓶颈：传统原位成像分辨率不足，而SEM/AFM观测三维内部结构常需破坏样品。针对这一挑战，浙江大学匡翠方教授团队联合之江实验室与香港中文大学，首创具有双功能特性的DETC分子体系，开发出集外周光抑制激光直写（PPI-DLW）与双模式成像于一体的系统。该系统同步实现了40纳米线宽的三维制造、50纳米横向分辨率的显影后超分辨成像，以及共聚焦水平的无显影原位表征，为纳米制造的闭环优化建立了新范式。研究成果已发表于SCI期刊《极端制造（英文）》上。

图文解析

研究核心在于DETC分子的“一材两用”特性，实现了制造与表征的深度融合。作为光引发剂，它通过周边光抑制（PPI）技术实现超衍射极限激光直写；同时，其具备受激发射损耗（STED）行为，可在抑制光作用下压缩荧光区域，为超分辨成像奠定基础。更重要的是，DETC具有聚合依赖的荧光寿命特性——固化后寿命延长，这一差异成为原位表征的关键信号，为“制造即表征”提供了材料基础（图1b）。基于DETC的特性，团队搭建了一套集成化系统（图1a），同步实现了三大功能：(1) 3D超分辨制造(PPI-DLW)；(2) 未显影结构共聚焦分辨率水平原位成像；(3) 显影结构超分辨成像(PPI imaging)质量验证。

图1 集成化PPI-DLW与多模态成像系统原理图。

在制造性能方面，研究团队采用外周光抑制（PPI）策略，实现了线宽低至40 nm的高精度结构制造（图2a），线边缘粗糙度仅为1.6 nm。配套开发的PPI成像技术同步展现出优异性能，其横向分辨率达50 nm（图2b-e）。为系统评估该成像方法的轴向分辨能力，团队制备了不同尺寸的字母结构进行对比验证。相较于共聚焦成像的模糊轮廓，PPI成像能够清晰分辨字母形貌，特别是字母“E”中宽度约205 nm的轴向间隙亦可明确区分（图2f-h）。进一步地，团队还对“塔楼”类复杂三维结构进行成像（图3），不仅清晰呈现了顶部栅状结构等外部特征，更无损地解析出内部桌椅等结构，凸显了该方法在三维内部无损、超分辨表征方面的显著优势。

图2  2D与3D纳米结构的PPI-DLW加工与PPI成像分辨率验证。

图3  复杂3D结构的加工与PPI成像。

更关键的是，该系统实现了突破性的原位、无显影成像，从根本上改变了传统纳米制造依赖后处理才能表征的局面。基于DETC分子在固化前后产生的荧光寿命差异，团队采用荧光寿命成像（FLIM）技术，无需对样品进行任何化学处理，即可直接观察未显影的纳米结构。通过对3D C60进行成像，FLIM可以准确重构出其空间分布（图4）。该技术首次将原位成像分辨率推进至百纳米级别（约200 nm），为实现纳米制造过程的实时监测与缺陷识别奠定了技术基础。

图4 原位FLIM成像验证。

总结与展望

本研究通过一种创新的“自报告”分子与一体化集成系统，成功实现了超分辨纳米制造与多模态表征的融合，解决了纳米技术中长期存在的“制造精度高而表征能力不足”的核心矛盾。展望未来，研究可进一步拓展光引发剂材料体系、优化光漂白问题，并探索基于SPAD阵列的实时成像技术，为纳米光子学、高精度生物传感及PB级光存储等前沿领域提供“制造-表征-优化”全闭环的新范式。

作者与团队简介

本研究由浙江大学光电科学与工程学院极端光学技术与仪器全国重点实验室匡翠方教授团队，与香港中文大学机械与自动化工程学系陈世祈教授团队领衔，联合之江实验室等多个单位共同完成。团队长期致力于超分辨率光学显微成像、激光微纳制造等前沿交叉领域的研究，致力于发展具有自主知识产权的高端仪器与核心技术。

匡翠方

浙江大学

通讯作者匡翠方：浙江大学教授，极端光学技术与仪器全国重点实验室常务副主任，浙江省万人计划科技创新领军人才。长期致力于打破光学衍射极限，实现光学超分辨的新原理、新技术、新仪器创新研究。先后以第一作者/通讯作者在Nature Nanotechnology、Nature Communications、Physical Review Letters、PNAS、Optica等高水平期刊发表论文200多篇，编写超分辨成像的相关书籍3章，授权发明专利120多项，美国PCT专利4项，研究成果获得中国光学年度十大进展（2016年，2019年）。获得国家杰出青年基金、国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目、浙江省之江实验室超分辨刻写重大装置项目等项目支持。曾获得2024年度中国光学学会科技创新奖特等奖，2019年国家技术发明奖二等奖、2019年王大珩中青年科技人员奖，浙江省技术发明奖一等奖，2024年浙江省产学研合作创新人物奖，2023年浙江省产学研合作创新成果奖、2022年度首届“金燧奖”、2018年中国光学科技奖一等奖等。

朱大钊

杭州玉之泉精密仪器有限公司

通讯作者朱大钊：杭州玉之泉精密仪器有限公司技术研发总监，高级工程师；博士毕业于浙江大学光电科学与工程学院、浙江大学与省级实验室联合培养博士后；长期从事高通量超分辨激光直写、超分辨显微成像技术与装置研究；以第一/通信作者发表高水平期刊论文10余篇，包括Advanced Photonics、ACS Photonics、Photonics research等期刊。申请发明专利30余件，授权17件。先后主持/参与国家青年基金、浙江省青年基金、博士后面上基金、浙江省重大项目、国家重点研发计划等项目与课题研究；获2024年度中国光学学会科技创新奖，技术发明特等奖。

陈世祈

香港中文大学

通讯作者陈世祈：香港中文大学机械与自动化工程学系教授，美国精密工程学会（ASPE）、美国机械工程师学会（ASME）、国际光学工程学会（SPIE）及美国光学学会（OSA）会员，长期从事超快激光应用、生物医学光学、精密工程及纳米制造的研究。先后以第一作者/通讯作者在Science、Nature Communications、Advanced Functional Materials、Optica等高水平期刊发表论文200余篇，曾两度荣获全球研发创新领域极具影响力的 “年度百大最佳技术产品”。

刘秋兰

之江实验室

浙江大学

第一作者刘秋兰，助理研究员，博士毕业于浙江大学光电科学与工程学院，浙江大学与之江实验室联合培养博士后；长期从事超分辨激光直写、超分辨显微成像技术研究；以第一/通信作者在Nature Communications等期刊发表高水平论文近10篇。以第一作者或第二（导师第一）授权中国发明专利11项。主持国家青年基金、博士后面上基金等项目。

温积森

浙江大学

共同一作温积森，助理研究员，目前任职于浙江大学光电科学与工程学院、极端光学技术与仪器全国重点实验室。2020年毕业于浙江大学物理系获得理学博士学位，2020年7月至2022年11月在之江实验室从事博士后研究。目前主要研究方向集中于高分辨、高通量激光直写光刻新方法及其应用等。在Laser & Photonics Reviews、Photonics Research等期刊发表论文20余篇，授权发明专利4项，美国专利1项。主持国家自然科学基金青年科学基金、浙江省自然科学基金青年科学基金、中国博士后面上基金等项目。曾获得2024年度中国光学学会科技创新奖特等奖。

关于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing (《极端制造》），简称IJEM，中国机械工程学会极端制造分会会刊，致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今，期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。JCR最新影响因子21.3，位列工程/制造学科领域第一。中国科学院分区工程技术1区，TOP期刊。入选中国科技期刊卓越行动计划二期英文领军期刊。

期刊网址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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