纳米加工技术PPT.ppt

纳米加工技术 作者 周堃著名的诺贝尔奖获得者Feyneman在60年代就预言 如果对物体微小规模上的排列加以某种控制的话 物体就能得到大量的异乎寻常的特性 这就是如今的纳米材料 纳米 纳米 符号为nm 是长度单位 原称毫微米 就是10 9米 10亿分之一米 即10 6毫米 100万分之一毫米 如同厘米 分米和米一样 是长度的度量单位 相当于4倍原子大小 比单个细菌的长度还要小 纳米技术 纳米技术 nanotechnology 是用单个原子 分子制造物质的科学技术 纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术 它是现代科学 混沌物理 量子力学 介观物理 分子生物学 和现代技术 计算机技术 微电子和扫描隧道显微镜技术 核分析技术 结合的产物 纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术 例如纳电子学 纳米材科学 纳机械学等 纳米技术的发展简史 1959年 诺贝尔奖获得者 量子物理学家理查德 费曼 RichardFeynman 提出可以从单个分子甚至单个原子开始组装制造物品 这是关于纳米科技的最早的梦想和预言 1974年 日本学者谷口纪男 TaniguchiNorio 教授在CIRP上首次提出 Nano technology 概念 并预测2000年加工精度将达到1nm 1981年 科学家发明研究纳米的重要工具 扫描隧道显微镜 为我们揭示了一个可见的原子 分子世界 对纳米科技发展产生了积极促进作用 1984年 德国学者格莱特 Gleiter 把粒径6nm的金属粉末压成纳米块 并且详细研究它的内部结构 指出了它的界面奇异结构和特异功能 1990年7月 第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩与第五届国家扫描隧道显微镜学术会议同时举办 正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世 标志着纳米科学技术的正式诞生 1991年 碳纳米管被人类发现 它的质量是相同体积钢的六分之一 强度却是钢的10倍 成为纳米技术研究的热点 诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为 纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料 也将被广泛用于超微导线 超微开关以及纳米级电子线路等 1997年 美国科学家首次成功地用单电子移动单电子 利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存储容量比现在提高成千上万倍的量子计算机 1999年开始 纳米技术产业逐步走向全面商业化 2000年纳米产品的营业额达到500亿美元 我国纳米科技成果概况 1993年 中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出 中国 二字 标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地 并居于国际科技前沿 1993年 中科院在北京举办了第7届国际STM 扫描隧道显微镜 会议 1998年 清华大学范守善小组成功地制备出直径为3 50nm 长度达微米量级的氮化镓半导体一维纳米棒 是我国在国际上首次把氮化镓制备成一维纳米晶粒 1999年 中科院物理研究所解思深研究员率领的科研小组 不仅合成了世界上最长的 超级纤维 碳纳米管 创造了一项 3毫米的世界之最 而且合成出世界上最细的碳纳米管 2000年 中科院物理所真空物理开放实验室高鸿钧领导的科研小组 将超高密度存储材料的信息存储点下降到0 6nm 点与点之间的距离降到0 5nm 将现有光盘的存储能力提高100万倍 利用纳米技术将氙原子排成IBM 纳米加工机理 纳米级加工的含意是达到纳米级精度的加工技术 由于原于间的距离为0 1一0 3nm 纳米加工的实质就是要切断原子间的结合 实现原子或分子的去除 切断原子间结合所需要的能量 必然要求超过该物质的原子间结合能 用传统的切削 磨削加工方法进行纳米级加工就相当困难了 近年来纳米加工有了很大的突破 如电子束光刻 UGA技术 加工超大规模集成电路时 可实现0 1 m线宽的加工 离子刻蚀可实现微米级和纳米级表层材料的去除 扫描隧道显徽技术可实现单个原子的去除 扭迁 增添和原子的重组 纳米加工分类 包括切削加工 精密切削等 化学腐蚀 电化学等 能量束加工 电子束 离子束等 复合加工 扫描隧道显微技术加工等多种方法 纳米加工关键技术 检测技术 包括检测纳米级表层物理力学性能 纳米级精度的尺寸和位移的测量 纳米级表面形貌的测量 环境条件控制 机床及工具 扫描隧道显微镜 扫描隧道显微镜scanningtunnelingmicroscope缩写为STM 它作为一种扫描探针显微术工具 扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子 它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率 此外 扫描隧道显微镜在低温下 4K 可以利用探针尖端精确操纵原子 因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具 工作原理 扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料 就如同一根唱针扫过一张唱片 一根探针慢慢地通过要被分析的材料 针尖极为尖锐 仅仅由一个原子组成 一个小小的电荷被放置在探针上 一股电流从探针流出 通过整个材料 到底层表面 当探针通过单个的原子 流过探针的电流量便有所不同 这些变化被记录下来 电流在流过一个原子的时候有涨有落 如此便极其细致地探出它的轮廓 在许多的流通后 通过绘出电流量的波动 人们可以得到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片 奇妙的微电子技术 化学中的纳米 纳米锌变形 纳米银粉形貌 STM拍摄的图片 具体应用 扫描STM工作时 探针将充分接近样品产生一高度空间限制的电子束 因此在成像工作时 STM具有极高的空间分辩率 可以进行科学观测 7 探伤及修补STM在对表面进行加工处理的过程中可实时对表面形貌进行成像 用来发现表面各种结构上的缺陷和损伤 并用表面淀积和刻蚀等方法建立或切断连线 以消除缺陷 达到修补的目的 然后还可用STM进行成像以检查修补结果的好坏 7 微观操作引发化学反应STM在场发射模式时 针尖与样品仍相当接近 此时用不很高的外加电压 最低可到10V左右 就可产生足够高的电场 电子在其作用下将穿越针尖的势垒向空间发射 这些电子具有一定的束流和能量 由于它们在空间运动的距离极小 至样品处来不及发散 故束径很小 一般为毫微米量级 所以可能在毫微米尺度上引起化学键断裂 发生化学反应 7 8 移动 刻写样品当STM在恒流状态下工作时 突然缩短针尖与样品的间距或在针尖与样品的偏置电压上加一脉冲 针尖下样品表面微区中将会出现毫微米级的坑 丘等结构上的变化 针尖进行刻写操作后一般并未损坏 仍可用它对表面原子进行成像 以实时检验刻写结果的好坏 移动针尖进行刻写的办法主要有两种 在反馈电路正常工作时 通过调节参考电流或偏置电压的大小来调节针尖与样品间的接触电阻 达到控制针尖移动的目的 当加大参考电流或减小偏压时为保证恒流工作 反馈将控制针尖移向样品 从而减小接触电阻 当STM处于隧道状态时 固定反馈线路的输出信号 关闭反馈 然后通过改变控制Z向运动的压电陶瓷上所加电压的大小来改变针尖与样品的间距 这种方法较前者能够更线性地控制隧道结宽度的变化 相对来说是较为理想的办法 纳米机器人 纳米机器人 的研制属于分子仿生学的范畴 它根据分子水平的生物学原理为设计原型 设计制造可对纳米空间进行操作的 功能分子器件 纳米生物学的近期设想 是在纳米尺度上应用生物学原理 发现新现象 研制可编程的分子机器人 也称纳米机器人 合成生物学对细胞信号传导与基因调控网络重新设计 开发 在体 invivo 或 湿 的生物计算机或细胞机器人 从而产生了另种方式的纳米机器人技术 纳米机器人不久将进入我们的生活用不了多久 个头只有分子大小的纳米机器人将源源不断地进入人类的日常生活 它们将为我们制造钻石 舰艇 鞋子 牛排和复制更多的机器人 要它们停止工作只需启动事先设定的程序 表面来看 上述想法近乎不可思议 一项单一的技术在应用初期就能治病 延缓衰老 清理有毒的废物 扩大世界的食物供应 筑路 造汽车和造楼房 这并非天方夜谭 也许在21世纪中叶前就可以实现 全世界的研究机构都在想方设法将这些设想变成现实 美国总统克林顿曾经宣布成立美国国家纳米研究机构 承诺提供50亿美元进行这方面的尝试 其实 纳米技术一词由来已久 理查德 费恩曼是继爱因斯坦之后最有争议和最伟大的理论物理学家 1959年他在一次题目为 在物质底层有大量的空间 的演讲中提出 将来人类有可能建造一种分子大小的微型机器 可以把分子甚至单个的原子作为建筑构件在非常细小的空间构建物质 这意味着人类可以在最底层空间制造任何东西 从分子和原子着手改变和组织分子是化学家和生物学家意欲到达的目标 这将使生产程序变得非常简单 你只需将获取到的大量的分子进行重新组合就可形