在数据存储与信息标识领域，将机器可读二维码的尺寸推向极限一直是工程师们追求的目标。2026 年，维也纳工业大学（TU Wien）与数据存储公司 Cerabyte 合作，成功制备出仅 1.98 平方微米的超小型 QR 码，该码必须使用电子显微镜才能读取。这一成果已被吉尼斯世界纪录认可，标志着纳米级微纳加工技术在信息编码领域的重大突破。本文将从工程实现角度，深入剖析使用电子显微镜技术在纳米尺度制备超小型 QR 码的完整技术路径。
基底材料选择与薄膜制备
制备纳米级 QR 码的第一步是选择合适的基底材料。与传统光刻工艺不同，纳米尺度的图案需要极高的机械和化学稳定性，否则原子级别的结构会在短时间内发生扩散，导致数据丢失。研究团队选择了铬 nitride（氮化铬）陶瓷薄膜作为图案化基底，这种材料具有优异的硬度和化学惰性，能够在极端环境下保持结构稳定。薄膜厚度通常控制在数十至数百纳米范围内，既能提供足够的对比度，又便于后续的离子束刻蚀工艺。基底准备阶段需要使用 PVD（物理气相沉积）设备在硅晶圆上溅射沉积氮化铬薄膜，薄膜质量直接影响最终图案的清晰度和耐久性。
电子束光刻与聚焦离子束刻蚀工艺
纳米 QR 码的图案化主要采用两种互补的微纳加工技术。第一种是聚焦离子束（FIB）直接铣削工艺：先将标准 QR 码转换为位图格式，导入 FIB 控制软件，定义像素尺寸（例如 49 纳米），然后将每个深色模块映射为需要被铣削的区域。离子束在设定的区域进行逐点扫描，通过溅射效应局部去除材料，形成高度差或纹理差，从而产生可被检测的对比度。第二种是电子束光刻（EBL）结合刻蚀的工艺路线：在镀膜晶圆上旋涂电子束抗蚀剂，使用电子束曝光 QR 图案对应的像素，经过显影后将图案转移至陶瓷或金属层，最后通过反应离子刻蚀或离子铣削完成图案转移，并去除残余抗蚀剂。
像素设计与 QR 码参数优化
该世界纪录的 QR 码采用 29×29 模块的标准 QR 图案，每个模块（像素）边长仅为 49 纳米，整体面积约 1.98 平方微米。这一尺寸约为可见光波长的十分之一，因此完全无法用光学显微镜观察，必须使用扫描电子显微镜（SEM）进行成像读取。在工程实现中，需要特别注意模块之间的间隙设计 —— 间隙过小会导致相邻像素信号串扰，间隙过大则会占用过多有效面积。49 纳米的像素尺寸是在读取分辨率与编码容量之间取得的最佳平衡点。QR 版本的选择也至关重要，版本越高编码容量越大，但对制备工艺的精度要求也越高，29×29 版本是当前技术条件下的最优选择。
电子显微镜成像与解码验证
完成图案制备后，需要使用高分辨率扫描电子显微镜对 QR 码进行成像读取。成像原理基于表面形貌和材料对比度：被铣削区域与未铣削区域在电子束照射下产生不同的二次电子发射强度，形成黑白分明的图像。成像时需要选择合适的加速电压（通常为 5-15 千伏），既要保证足够的分辨率，又不能对样品造成过度辐照损伤。获取的 SEM 图像经过降噪处理后，可直接使用标准 QR 解码软件进行解码验证。在实际演示中，研究团队将电子显微镜显示屏上的 QR 码图像投影至手机屏幕，通过智能手机扫码验证了编码信息的正确读取。
工程化挑战与未来应用方向
尽管当前技术已成功制备出可工作的纳米 QR 码，但工程化量产仍面临若干挑战。首先是制备效率问题：使用 FIB 逐点铣削的方式耗时较长，单个 QR 码的制备时间可能需要数小时。其次是成本控制：高端 FIB 和 EBL 设备价格昂贵，维护成本高。再次是规模化读取问题：电子显微镜读取速度远低于传统光学扫描，难以满足快速批量读取的需求。尽管如此，这项技术的核心价值在于展示了极端小型化信息编码的可行性，为超高密度数据存储和极端环境下的信息标识开辟了新思路。Cerabyte 公司提出的远期愿景是将此类陶瓷介质应用于无需能源和冷却的永久性数据存储解决方案，这代表了纳米加工技术与数据存储领域深度融合的发展趋势。
资料来源
本文核心事实依据：Phys.org news 报道的 TU Wien 与 Cerabyte 合作研究；TU Wien 官方新闻发布的 World Record 公告；Physics World 关于该技术用于超长寿命数据存储前景的专题报道。