新型纳米加工技术（共4篇）
新型纳米加工技术 篇1
纳米加工技术作为引起一场新的产业革命的科学技术, 备受世人瞩目。随着科技的发展, 对电子器件小型化的要求越来越强烈, 各种器件逐渐由微米向纳米尺度发展。特别是对纳米器件、光学器件、高灵敏度传感器、高密度存储器件以及生物芯片制造等方面的纳米化要求越来越强烈, 如何缩小图形尺寸、提高器件的纳米化程度已经成为各国科学家们越来越关心的问题。然而由于传统刻蚀技术的限制使得器件纳米化的发展成为当今电子器件小型化发展的重要制约因素之一。通过新型纳米加工技术的研究, 克服了传统光刻技术对尺寸的限制和电子束光刻等在设备和生产速度上的限制, 为从宏观到微观纳米图形制作开辟了新途径。
1 新型纳米加工技术的基本原理
纳米加工技术是为了适应微电子及纳米电子技术、微机械电子系统的发展而迅速发展起来的一门加工技术。目前, 探索新的纳米加工方法和手段已成为纳米技术领域中的热点。随着纳米加工技术的发展, 现已出现了多种纳米加工技术, 新型纳米加工技术利用无机纳米材料及无机—有机纳米复合图形材料制备纳米图形化掩模, 结合纳米刻蚀技术实现小于30 nm的图形结构制备。随着纳米结构图形尺寸小于100 nm后, 不仅缩小了器件的尺寸, 而且由于纳米尺寸效应的影响, 纳米器件被赋予了许多新的特性:计算速度更快、存储密度更高、能耗大大减少等。纳米技术的发展也会对生命技术、环境、能源等很多方面都会产生重大影响, 具有重大而深远的意义。
2 新型纳米加工技术的内容
根据纳米加工技术的发展与应用前景, 我们重点研究小于30 nm的纳米岛、纳米锥等图形加工方法, 特别是基于无机纳米材料自组装掩模的纳米图形排布和转移加工方法。因此, 研究内容主要包括两部分, 即纳米图形化掩模的制备和新型纳米加工方法的研究。
2.1 纳米图形化掩模的制备
纳米材料的图形化研究;纳米材料的表面修饰;纳米材料在有机高分子中的均匀分散和图形化;基底和过渡层的选择。
2.2 新型纳米加工方法和理论的研究
反应离子刻蚀工艺的研究;刻蚀选择性研究;刻蚀深度以及纳米图形在刻蚀过程中的稳定性的研究;刻蚀机理的研究。
3 新型纳米加工技术的方法
3.1 纳米材料在不同基底材料表面的大面积有序排布与图形化控制
有效控制纳米材料大面积均匀有序排布, 实现多样化的纳米掩模板制作是纳米图形转移工艺的关键步骤之一。近年来, 自组装排布技术在纳米材料大面积均匀单层排布中具有广泛的应用。因此, 采用纳米材料的自组装排布技术可以解决纳米掩模材料在基底表面的大面积均匀排布问题。此外, 图形化高分子材料在纳米加工技术中表现出了丰富的图形变化。因此, 利用纳米材料的表面修饰, 结合有机图形化材料, 可望获得更多排列方式和结构的纳米图形掩模, 从而获得更为丰富的纳米图形结构。
3.2 刻蚀过程中纳米图形的稳定性
保持纳米图形在刻蚀过程中的稳定性是实现纳米图形转移又一关键问题之一。这一问题我们从三个方面进行研究。
(1) 通过对纳米材料和基底表面进行不同的表面修饰, 改善纳米材料和基底表面的结合力。
(2) 利用有机高分子材料的引入, 增强纳米图形的稳定性。
(3) 通过选择不同的过渡层来改变纳米图形与基底表面的结合力, 从而实现纳米图形在刻蚀过程中的稳定性。
3.3 纳米图形刻蚀形状与深宽比的控制
纳米图形刻蚀形状和深宽比对纳米加工材料在纳米器件中的性质和应用具有决定性的作用。图形的形状和深宽比主要取决于纳米图形的稳定性、过渡层的不同以及刻蚀条件等因素。因此, 我们将综合上述因素来研究图形的形状和深宽比的控制, 通过增强纳米图形的稳定性、选择不同的过渡层以及刻蚀条件来控制刻蚀的形状和深宽比, 为进一步发展纳米刻蚀工艺和制备纳米器件奠定基础。
3.4 不同基底表面纳米图形的分析和表征
硅、氧化硅及太阳能电池用绒面由于柔性基底表面通常导电性较差, 因此不能利用扫描电镜进行分析, 我们采用原子力显微镜进行测试分析, 从而克服柔性衬底的缺点。
4 新型纳米加工技术的发展潜力
纳米技术是21世纪可能会取得重要突破的三个领域之一。通过新型纳米加工技术的研究, 利用无机纳米材料和无机—有机纳米复合材料的自组装方法实现纳米图形化掩模的制备, 同时结合反应离子刻蚀技术实现小于30 nm的纳米岛、纳米锥等图形阵列的大面积制备和转移, 并对纳米材料的排布以及刻蚀加工工艺和机理进行研究。探索纳米材料图形化有序排布的最佳条件以及图形阵列转移的最佳刻蚀工艺, 为制备高密度、图形化纳米器件奠定理论和实验基础。这一研究成果不仅可以广泛应用于高密度磁存储介质、悬浮栅和单电子器件的制备, 也为克服光刻限制, 实现先进的纳米刻蚀技术提供新的手段。
随着纳米技术的发展和电子器件小型化的需求, 新型的纳米加工方法越来越多地引起人们的关注。新型纳米加工技术的应用非常广泛, 尤其在一些发达国家, 纳米加工技术的开发已经得到广泛的关注并已有多篇专利和文献被发表。如果不发展纳米加工技术, 在未来的科技竞争中就可能陷入被动地位。因此开展纳米加工技术和方法的研究, 不仅可以获得自主知识产权, 而且在未来的科技竞争中也可占据主动。此外, 纳米加工技术在多个领域具有广泛的应用, 如生物、医药、机械、电子等领域。目前世界微纳技术的总营业额将近1000亿美元, 预测未来每年纳米技术的市场总额将达15000亿美元。
我国近年来对纳米加工方面的研究也进行了大力的扶持, 很多科研单位将纳米加工技术列为重点研究项目, 并引进了具有0.13和0.09µm生产技术能力的大型芯片企业, 为提高我国的纳米加工技术和芯片制造水平, 发展信息产业技术, 抢占21世纪纳米科学技术的制高点具有不可低估的作用。目前, 随着纳米加工技术逐渐产业化和日趋成熟, 已经得到市场广泛认可和接受, 其产业化和市场化的前景是十分可观的。
5 结语
新型纳米加工技术的研究已成为21世纪科学技术进步的发展动机。新型纳米加工技术是多领域、多学科、多技术的综合应用, 从而实现优势互补。因此开展纳米加工技术和方法的研究, 需要各学科研究者的共同努力, 才能取得更大的发展。
参考文献
[1]顾宁, 黄岚, 张宁, 等.制造纳米电子器件的技术途径[J].华北工学院测试技术学报, 2000, 14 (4) :241.
[2]付宏刚, 刘克松, 王江, 等.功能纳米结构的组装[J].哈尔滨工业大学学报, 2005, 37 (5) :978.
[3]崔铮, 陶佳瑞.纳米压印加工技术发展综述[J].世界科技研究与发展, 2004, 26 (1) :7.
[4]王素娜, 江国庆, 游效曾, 等.无机分子纳米材料的研究进展[J].无机化学学报, 2005, 21 (1) :1.
新型纳米加工技术的研究进展 篇2
1 国内外研究现状
近年来,为了克服原有光刻技术对图形线宽的限制,人们已探索了许多先进的纳米刻蚀加工方法。AT&T Be II实验室的R·S·Becker等人利用扫描探针显微技术实现了在Ge表面原子级的加工。H·D·Day和D·R·Allee成功地实现了硅表面的纳米结构制备,从而在纳米加工领域开辟了新的天地。近年来,Mirkin研究组和其它几个研究集体利用扫描探针技术成功地制造了有机分子纳米图形与阵列、无机氧化物、金属纳米粒子、高分子溶胶等纳米图形和阵列以及蛋白质阵列。此外,离子束、电子束、极紫外、X射线、深紫外加波前工程、干涉光刻以及原子光刻等技术的出现进一步发展了纳米刻蚀加工技术,为克服光刻的限制,提高图形密度提供了可能。然而这些方法虽然可以实现相对复杂的纳米图形化,但其设备昂贵,投资成本较大、应用步骤复杂,更主要的在于生产效率低,产品价格高昂,因而难以在要求低成本、高产出的商业中得到广泛的应用,特别是在图形要求相对简单、有序,而密度和灵敏度要求较高的纳米器件中(如:传感器、激光器、平板显示器、高密度存储器件、生物芯片、量子器件等方面)的应用受到了很大的制约。因此,如何发展简单、便宜、适用于大规模生产的表面图案化技术已成为一个涉及众多学科领域的新课题。
当前,美、日两国在纳米光刻领域的研究处于世界领先地位。为了应对纳米技术的挑战,欧洲最近几年开展国家间的大型合作项目技术,纳米光刻技术得到了深入研究和广泛发展。近年来我国对纳米加工方面的研究也进行了大力的扶持,很多科研单位将纳米加工技术列为重点研究项目,并引进了具有0.13和0.09微米生产技术能力的大型芯片企业,为提高我国的纳米加工技术和芯片制造水平,发展信息产业技术,抢占21世纪纳米科学技术的制高点具有不可低估的作用。
2 新型纳米加工技术
纳米加工技术是为了适应微电子及纳米电子技术、微机械电子系统的发展而迅速发展起来的一门加工技术。目前,探索新的纳米加工方法和手段已成为纳米技术领域中的热点。随着纳米加工技术的发展,现已出现了多种纳米加工技术,新型纳米加工技术利用无机纳米材料及无机-有机纳米复合图形材料制备纳米图形化掩模,结合纳米刻蚀技术实现小于30纳米的图形结构制备。随着纳米结构图形尺寸小于100纳米后,不仅缩小了器件的尺寸,而且由于纳米尺寸效应的影响,纳米器件被赋予了许多新的特性:计算速度更快、存储密度更高、能耗大大减少等。纳米技术的发展也会对生命技术发展产生重大的影响,对环境、能源等很多方面都会产生重大影响,具有重大而深远的意义。
3 新型纳米加工技术的应用
和有机材料相比,无机纳米材料具有尺寸均匀可控,性质稳定、种类多样、易于制备等特点,其粒度尺寸可小于10纳米,甚至可以达到1纳米。同时,利用自组装排布技术也可以获得无机纳米材料的多种纳米图形结构。显然,利用无机纳米材料做掩模有望进一步克服有机高分子结构和尺寸方面的限制,获得尺寸更小,密度更高的纳米图形。同时,利用有机分子的多样性通过功能基团与无机纳米材料结合起来,这样既保留了原来有机分子及无机分子的本质特征,又可能通过这些结合所带来的变化导致新的纳米图形产生,使纳米刻蚀技术向更小的粒度和线宽发展,为提高纳米传感器灵敏度,提高高密度存储器件的记录密度等纳米器件的性能提供新的契机。但从目前来看,大部分研究主要集中在有机图形材料的研究方面,对无机材料,特别是无机-有机复合图形材料的研究还鲜有报导。采用无机纳米材料及无机-有机纳米复合图形材料结合自组装排布技术以及纳米刻蚀加工技术,有望打破有机图形化材料的限制,获得更为丰富的图形结构。因此,利用无机纳米材料及无机-有机纳米复合图形材料在基底表面实现纳米图形化模板的制备,并结合纳米刻蚀技术对图形进行转移,不仅可用于纳米材料制作、纳米器件加工、纳米长度测量、纳米物质的物理特性研究等方面,还可用于对DNA链和病毒进行处理等,具有重要的应用前景。
4 新型纳米加工技术前景展望
新型纳米加工技术在多个领域具有广泛的应用,如生物、医药、机械、电子等领域,其中包括纳米器件(微电子器件、量子器件),纳米材料(低维量子点、量子线材料、光子带宽材料),纳米长度测量标准(可置于显微镜中),光学光栅制作,新型传感器,纳米电子技术,能源领域以及纳米机器人等方面。在纳米刻蚀技术完善后,可以制作纳米级硬件,今后可广泛应用于信息科学和生命科学中。与传统的刻蚀技术相比,以纳米材料为基础的纳米刻蚀加工技术由于利用纳米材料的图形化特性并结合反应离子刻蚀技术,实现纳米图形的刻蚀,因此所需设备简单,操作方便,克服了传统光刻技术对尺寸的限制和电子束光刻等在设备和生产速度上的限制,因而成为人们近来广泛关注的热点,为从宏观到微观纳米图形制作开辟了新途径。对改善太阳能电池表面陷光特性,提高光电转换效率,以及对微芯片、纳米传感器、量子器件、高密度存储等高新技术产品向更高密度、更高速度、更高分辨率和超微细化发展,促进国防科技水平和信息科学的进步,以及医学和生命科学的进步,都具有重大而深远的意义。目前,随着纳米加工技术逐渐产业化和日趋成熟,已经得到市场广泛认可和接受,其产业化和市场化的前景是十分可观的。
5 结束语
纳米器件的设计与制造已成为世界上人们关注的热点,成为二十一世纪科学技术进步的发展动机。新型纳米加工技术的发展方向是多种技术的综合应用,以实现各种技术的优势互补。因此开展纳米加工技术和方法的研究,不仅可以获得自主知识产权,而且在未来的科技竞争中占据主动。
参考文献
[1]顾宁,黄岚,张宁,等.制造纳米电子器件的技术途径[J].华北工学院测试技术学报,2000,14(4):241
[2]付宏刚,刘克松,王江,等.功能纳米结构的组装[J].哈尔滨工业大学学报,2005,37(5):978
[3]崔铮,陶佳瑞.纳米压印加工技术发展综述[J].世界科技研究与发展,2004,26(1):7
利用纳米技术研制新型硫锂电池 篇3
加拿大滑铁卢大学的研究人员5月18日称, 他们制成了一种比传统锂电池容量大3倍的硫锂电池原型。相关研究当日发表在《自然-材料学》杂志网络版上。
锂硫电池具有十分广阔的应用前景, 化学家们已经为此进行了近20年的研究。硫和锂被认为是最为理想的一种电池材料, 这两种化学物质的结合不但能提供高密度的能量, 在稳定性、安全性和寿命上也更为出色。另外, 在成本上, 硫的价格也远远低于目前在锂电池中所广泛使用的其他材料。
但电池阴极的制造一直是困扰人们的一大难题, 这部分在充放电中负责储存和释放电子, 在这种可逆的电化学反应中为了实现较高的电流, 必须使其中的硫与类似碳这样的导体紧密接触, 而此前并无十分有效的方式。
滑铁卢大学琳达·纳扎尔教授所带领的研究小组通过纳米技术实现了碳和硫的紧密结合。在实验中他们采用了一种被称为介孔碳的多孔碳材。在纳米水平上, 这种类型的碳在孔径和孔容量上十分一致。通过纳米技术, 该小组将其制成了一种空心碳管, 每根厚6.5 nm, 孔径3～4 nm。由于硫可被加热和融化, 当接触碳管后它们就被吸入并凝固收缩为硫纳米纤维。研究人员通过电子显微镜对灌注过硫的碳管剖面进行检查后发现, 在所有的孔径中均充满了硫, 碳和硫实现了十分完美的结合。
新型纳米加工技术 篇4
超声化学法是最近发展起来的一种制备超细粉体材料的方法,它是利用超声空化能量加速和控制化学反应,提高反应产率和引发新的化学反应的一门新的边缘交叉学科[19]。传统的超声化学方法其原理是超声波通过液体介质向四周传播,当其能量足够大时,液体介质会产生超声空化现象[20],从而加速界面间的传质和传热过程,有利于化学反应的合成和提高反应产率。本研究采用的新型超声喷雾法与传统的超声化学方法具有明显的不同。首先在超声波的作用下利用超声空化能量把一种溶液转化成具有一定能量的微雾状液滴而大面积喷洒到另一化学反应溶液中。得到的微雾汽是一种均匀细小的液体小颗粒,且具备了一定的能量,当大面积喷射到另一液体进行化学反应时,可望获得均匀、细小的纳米粉体。其雾化原理是当超声波从进液口经传导到达出液口的溶液表面时,液-气分界面即溶液表面与空气交界处在受到垂直于分界面的超声波的作用后,由于超声波的作用(即能量作用),使溶液表面形成张力波,随着表面张力波能量的增强,当表面张力波能量达到一定值时,在溶液表面的张力波波峰也同时增大使其波峰处的液体雾粒飞出。
通过自制的超声喷雾装备,对(NH4)2HPO4的水溶液进行雾化处理,然后与Ca(NO3)2进行化学反应,在强烈的机械搅拌下,合成纳米HAP粉体。对该特种制备技术的一些工艺条件对HAP的形貌和结晶度的影响作了一定的研究,并与用传统超声化学法和化学沉淀法获得的纳米HAP粉体的形貌和结晶度进行了比较。
1 实验
1.1 原料和纳米HAP粉体的制备
所有化学原料均为99.99%纯度。原料包括:Ca(NO3)2·4H2O,(NH4)2HPO4,无水酒精,氨水,去离子水。由Ca(NO3)2·4H2O和(NH4)2HPO4提供Ca和P,氨水用来调节溶液的pH值。
根据沉淀反应原理:10Ca(NO3)2+6(NH4)2HPO4+8NH3·H2O→Ca10(PO4)6(OH)2↓+20NH4NO3+6H2O配制0.1mol/L的(NH4)2HPO4溶液和0.167mol/L的Ca(NO3)2溶液,并用氨水分别调节溶液的pH达到一定值。在室温下,控制一定流速的0.1mol/L的(NH4)2HPO4溶液通过超声雾化装置,经超声雾化后加入0.167mol/L的Ca(NO3)2溶液,在此过程中,Ca(NO3)2溶液应在搅拌器作用下不断进行强烈搅拌。当超声喷雾加料结束后,就停止机械搅拌,使得溶液体系开始处于静置状态。经一定时间的静置反应后,产物经过滤、洗涤、烘干、球磨即得样品。
1.2 纳米HAP粉体的分析与表征
采用XD-3型多晶X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)进行样品的物相组成分析;用s-4800型扫描电子显微镜(SEM)观察样品的表面特征和粒子大小。
2 结果与讨论
2.1 XRD结果分析
图1是在室温下,运用超声喷雾法制备的,反应后静置不同时间后经过滤分离得到HAP的XRD谱图。把图1中XRD的衍射峰与HAP相的标准卡片(PDF#54-0022)进行比较,符合得很好,因此反应所得的物质几乎全为HAP相。
从图1还可以看出,静置不同时间过滤分离所得到HAP的衍射峰都较明显,利用Scherrer公式估算颗粒度的大小,得出在静置时间增长时,颗粒度的平均尺寸有一定的增加,但颗粒增大的速度较慢。因此利用超声喷雾法制备HAP粉体时,在化学反应结束后,可有充裕的时间进行溶液与沉积物的过滤分离等处理过程。
而常温下,传统的超声化学法需要在反应完成后继续超声数小时才能得到较明显HAP相的衍射峰,传统的化学沉淀法更需要陈化12~24h才能得到。图2a和图2b分别为室温下传统的超声化学法和化学沉淀法反应2h后制备得到的HAP的XRD谱图[19,21]。
比较图1和图2可以看出,超声喷雾法制备HAP大大缩短了传统超声化学法和传统化学沉淀法制备HAP所用的时间,与传统的化学沉淀法相比结晶度也有显著的改善。说明超声喷雾对HAP的成核及生长过程有显著的促进作用,作者认为这是由于反应溶液经超声作用变成液体雾粒,大幅度增加了反应物的接触面积,从而能够显著增加成核密度、促进晶核的形成和生长,同时具有较大能量的雾汽滴对HAP相的成核和生长也起到了积极的促进作用,最终获得较细的HAP纳米粒子相,有效地提高了HAP的结晶速度。由于微小均匀的HAP相在溶液体系中大量同时生成,这样有利于HAP微晶相在溶液中的稳定存在,表现出在化学反应后静置多时而尺寸无显著变大的情况。与传统超声化学法和传统化学沉淀法制备技术相比,在晶核形成与生长时间及纳米颗粒的稳定性方面,超声喷雾技术具有明显的优势。
图3为超声喷雾法制备的,无静置的粉体样品在没有经热处理以及分别经550℃和700℃煅烧2h后的XRD图谱。比较图中的曲线,可以看出,曲线b与c的衍射峰明显比曲线a尖锐,且衍射强度增强,但是没有新的衍射峰出现。这说明样品通过热处理,HAP的晶粒长大,晶体的缺陷及晶间的无序结构减少。另外,从图3曲线a可以看出,尽管样品没有静置与热处理,但已形成了物相稳定的HAP纳米粒子。这是与其它传统超声化学与化学沉积工艺技术的显著不同之处。
2.2 SEM结果分析
为了能更加清晰地反应纳米颗粒的形貌,测定了纳米粉体的SEM照片。图4为超声喷雾法制备的HAP(无静置)和样品分别在550℃和700℃煅烧2h得到的HAP的SEM照片。从图4中可以看到本法制备的HAP纳米粒子结晶程度好,沉淀大小分布均匀,经550℃煅烧后,颗粒大小大约在30~40nm左右。从图4a,b和c可以看出, 随着煅烧温度的提高,HAP的晶粒有一定程度的长大,且煅烧的温度越高晶粒长大的程度也越大。
3 结论