光刻微纳制造技术是集成电路先进制造的重要基础，其核心目标是在更低成本、更高效率的条件下，不断提升加工精度。然而，光学光刻受衍射极限限制，难以稳定突破50纳米分辨率；双光子光刻虽然能够实现超分辨加工，却依赖高功率飞秒脉冲激光和复杂昂贵的光学系统，难以兼顾成本、效率与分辨率。拓扑化学聚合利用晶体中分子的有序排列实现空间受限聚合，被认为是突破光学衍射极限的潜在新路径，但长期受制于大面积单晶光刻胶难以制备以及聚合反应难以精准调控两大关键瓶颈，始终未能真正应用于高分辨率微纳制造。

  近期，中国科学院化学研究所张一帆研究员团队联合车延科研究员团队、理化研究所吴雨辰研究员团队，提出了基于单晶薄膜光刻胶的拓扑化学光刻新策略。研究团队设计了一类具有给体–受体（D–A）结构的光敏单体，并自主发展了固–液双界面限域组装方法，在硅基底上成功制备出毫米级至英寸级、厚度连续可调的大面积单晶薄膜光刻胶。单晶中高度有序的分子排列及分子间氢键作用，使光敏基团在晶格内实现预排列，为拓扑化学聚合提供了理想的反应环境。

  该研究成果以"High-performance topochemical polymerization-based photo-carving with sub-50 nm resolution utilizing visible light" 为题发表于Nature Communications。论文第一作者为中国科学院化学研究所任阳阳博士。该研究得到国家自然科学基金、中国科学院等项目的支持。

  在此基础上，研究团队利用仅4–20 μW的连续波可见光激光即可诱导单晶薄膜发生拓扑化学聚合，实现了较双光子光刻低数个数量级功耗的空间选择性聚合。更重要的是，研究首次发现单晶刚性晶格能够产生独特的"双重阈值效应"：不仅要求激光功率超过最低反应阈值，而且聚合链必须达到最低聚合度才能稳定存在。这种双重约束将聚合反应自发限制在高斯光斑中心能量最高的区域，使有效反应尺寸远小于激光光斑尺寸，最终实现了约十分之一波长（λ/10）的超分辨加工精度，获得最小41纳米线宽和2.9纳米线边缘粗糙度。基于这一策略，研究团队实现了正模式和负模式两种光刻方式，可程序化加工复杂二维纳米图案，并进一步构筑三维自支撑微纳结构，证明了拓扑化学聚合不仅适用于二维超分辨光刻，也具备向三维微纳制造拓展的潜力。

  该研究首次以晶格约束替代传统多光子吸收作为分辨率增强机制，为突破光学衍射极限提供了全新的技术路线，有望推动低成本、高精度微纳制造技术在柔性电子、生物芯片、微纳光子器件等领域的应用。

  该工作是团队围绕单晶光刻胶与拓扑化学微纳制造开展系统研究取得的重要进展。团队此前建立了大面积单晶薄膜光刻胶制备、可见光拓扑化学聚合、超分辨二维光刻、三维拓扑化学光刻及光刻胶循环利用等系列关键技术（Angew. Chem. Int. Ed., 2025, e202506872；J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 27, 18504；J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 17, 9771；J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 33, 15403），逐步构建起从单晶组装、光化学反应到微纳图案化制造的完整技术体系，为发展新一代低功耗、高精度光刻技术提供了新的研究思路。

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-73463-9

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