光栅是光学和光电系统的核心构造单元之一。光栅元件的周期决定着系统的色散和分辨率性能。随着现代光学技术的发展，尤其是同步辐射和自由电子激光等大型X射线科学装置的发展，高分辨率X射线谱学技术对超小周期纳米光栅元件的要求越来越高。传统自上而下的纳米制备技术（包括光刻和电子束直写等）难以实现大面积亚百纳米周期光栅元件的制备，限制了X射线光谱探测分辨率的进一步提升和凝聚态物理中相关科学的发展。针对上述问题，同济大学精密光学工程技术研究所黄秋实副教授在工作中发展了一种新型X射线纳米光栅的制备技术。它基于自下而上的自组装原理，利用低能离子轰击在半导体材料（Ge）表面激发空穴的类外延生长，形成高度规则的纳米沟槽阵列，沟槽周期达到亚50nm水平，形状类似对称的闪耀光栅结构，光栅线密度相当于2万线/毫米。在此基础上，将纳米光栅与多层膜相结合，形成三维多层膜光栅结构，大大提高光栅衍射效率，使其可工作在X射线波段；多层膜光栅的高级次衍射也将进一步提高元件的色散性能。实验结果表明：研制的Mo/Si多层膜纳米光栅在87.5eV的X射线能量获得11%的衍射效率；Mo/Si和Cr/C多层膜光栅在90eV和270eV附近获得0.21°/eV和0.093°/eV的超高角色散，比现有技术制备的最高线密度5千线/毫米光栅的色散性能提高4.5-6.3倍。同时，该技术在2英寸晶圆上实现了多层膜纳米光栅的均匀构筑，展现了该方法具有大面积快速制备的独特优势。这项技术不仅为超高分辨率光栅的制备提供了新方法，突破了传统光栅元件色散性能的瓶颈；也为高性能紧凑型X射线光谱仪的发展奠定了基础。

图1 多层膜纳米光栅制备流程示意图(a-c)，制备Mo/Si (d, e)和Cr/C (f, g)多层膜光栅的截面TEM图

相关研究成果以“Realization of wafer-scale nanogratings with sub-50 nm period through vacancy epitaxy”为题，于6月4日发表于《Nature Communications》 (DOI: 10.1038/s41467-019-10095-2)。同济大学精密光学工程技术研究所黄秋实副教授、中国科学院上海微系统与信息技术研究所贾棋博士为共同第一作者，中国科学院上海微系统与信息技术研究所欧欣教授为通讯作者。相关研究工作获得了国家自然科学基金大科学装置联合基金重点项目的支持。

图2 Mo/Si和Cr/C多层膜纳米光栅的色散测试结果