《纳米科学与微纳制造》复习材料

2/6《纳米科学与微纳制造》复习材料1、纳米材料有哪些危害性？答：纳米技术对生物的危害性：1）在常态下对动植物体友好的金，在纳米态下则有剧毒；2）小于100nm的物质进入动物体内后，会在大脑和中枢神经富集，从而影响动物的正常生存；3）纳米微粒可以穿过人体皮肤，直接破坏人体的组织及血液循环。2、什么是纳米材料、纳米结构？答：纳米材料：纳米级结构材料简称为纳米材料，是指组成相或晶粒结构的尺寸介于1nm～100nm范围之间，纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。纳米材料有两层含义：其一，至少在某一维方向，尺度小于100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小于100nm，如纳米晶合金中的晶粒;其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性量子尺寸效应。纳米结构：以纳米尺度的物质为单元按一定规律组成的一种体系。3、什么是纳米科技？答：纳米科技是研究在1-100nm内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工的技术。4、什么是纳米技术的科学意义？答：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆土在宏观和微观的理论充分完善之后，再介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这也是新技术发展的源头；纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为任何一门传统的学科领域而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性的突破的，在这一尺度下，充满了原始创新的机会因此，对于还比较陌生的纳米世界中尚待解释的科学问题，科学家有着极大的好奇心和探索欲望。5、纳米材料有哪4种维度？举例说明答：零维：团簇、量子点、纳米粒子一维：纳米线、量子线、纳米管、纳米棒二维：纳米带、二维电子器件、超薄膜、多层膜、晶体格三维：纳米块体6、名词解释：STM、AFM、SEM、TEM答：STM(scanningtunnelingmicroscope) 扫描隧道显微镜AFM(AtomicForceMicroscope) 原子力显微镜SEM(scanningelectronmicroscope) 扫描电子显微镜TEM(TransmissionElectronMicroscope) 透射电子显微镜XRF(XRayFluorescence) X射线荧光光谱分析7、扫描隧道显微镜和原子力显微镜的工作原理扫描隧道显微镜：在样品与探针之间加上小的探测电压，调节样品与探针间距，控制系统使针尖靠近样品表面，当针尖原子与样品表面原子距离≤10Å时，由于隧道效应，探针和样品表面之间产生电子隧穿，在样品的表面针尖之间有一纳安级电流通过，电流强度对探针和样品表面间的距离非常敏感，距离变化1Å，电流就变化一个数量级左右。移动探针或样形成一个束缚态，称为激子。通常可分为万尼尔（Wannier）激子和弗伦克尔（Frenkel）激子，前者电子和空穴分布在较大的空间范围，库仑束缚较弱，电子“感受”到的是平均晶格势与空穴的库仑静电势，这种激子主要是半导体中；后者电子和空穴束缚在体元胞范围内，库仑作用较强，这种激子主要是在绝缘体中。12、试解释磁性纳米颗粒尺寸小到一定临界值时出现超顺磁性的原因超顺磁状态的起源可归为以下原因：

A当颗粒尺寸小于单畴临界尺寸，随尺寸减小，磁各向异性能(磁畴方向)减小到与热运动能可相比拟，在热扰动作用下，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现；

B不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁性的临界尺寸是不相同的；

13、试述纳米材料的光致发光不同于常规材料的原因

1）由于颗粒很小，出现量子限域效应，界面结构的无序性使激子、特别是表面激子很容易形成，因此容易产生激子发光带；

2）界面体积大，存在大量的缺陷，从而使能隙中产生许多附加能级；

3）平移周期被破坏,在K空间常规材料中电子跃迁的选择定则可能不适用晶体场不对称4）杂质能级‐‐‐杂质发光带处于较低能量位置，发光带比较宽

14、什么是“自上而下”和“自下而上”？“自上而下”：是指通过微加工或固态技术,不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化。

“自下而上”：是指以原子分子为基本单元,根据人们的意愿进行设计和组装,从而构筑成具有特定功能的产品，这种技术路线将减少对原材料的需求,降低环境污染。

15、气相法制备纳米微粒的分类？

气相法制备纳米微粒包括：化学气相反应法：气相分解法，气相合成法，气－固反应法物理气相法：气体冷凝法，氢电弧等离子体法，溅射法，真空沉积法，加热蒸发法，混合等离子体法。16、液相法制备纳米微粒的分类？液相法制备纳米微粒分为：沉淀法，水热法，溶胶凝胶法，冷冻干燥法，喷雾法17、试述气体冷凝法制备纳米微粒的基本原理

定义:此种制备方法是在低压的氩、氦等惰性气体中加热金属，使其蒸发后形成超微粒(1~1000nm)或纳米微粒。原理：整个过程是在超高真空室内进行,通过分子涡轮使其达到0.1KPa上的真空度，然后充入低压(约2KPa)的净惰性气体(He或Ar，纯度为~99.9996％)，欲蒸的物质(例如，金属，CaF2，NaCl，FeF等离子化合物、过渡族金属氮化物及易升华的氧化物等)置于坩埚内，通过钨电阻加热器或石墨加热器等加热装置逐渐加热蒸发，产生原物质烟雾，由于惰性气体的对流，烟雾向上移动，并接近充液氦的冷却棒(冷阱，77K)在蒸发过程中，原物质发出的原子与惰性气体原子碰撞而迅速损失能量而冷却，在原物质的蒸气中造成很高的局域过饱和，导致均匀的成核过程，在接近冷却棒的过程中，原物质的蒸气首先形成原子簇，然后形成单个纳米微粒在接近冷却棒表面的区域内，单个纳米微粒聚合长大，最后在冷却棒表面上积累起来用聚四氟乙烯刮刀刻下并收集起来获得纳米粉。18、溶胶凝胶法制备纳米微粒的基本原理将金属醇盐或无机盐经水解,然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、煅烧除去有机成分，最后得到无机材料。19、名词解释CVD、PVD、PLD、MBE、PECVD答：CVD（ChemicalVaporDeposition） 化学气相沉积法PVD（PhysicalVaporDeposition） 物理气相沉积法PLD（PulsedLaserDeposition） 脉冲激光沉积法MBE（MolecularBeamEpitaxy） 分子束外延PECVD（plasmaenhancedchemicalvapordeposition）等离子体增强化学气相沉积法20.纳米科技的定义：在1～100nm尺度范围内，研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学与技术。21.如何识别真假纳米技术识别真假纳米技术主要有两个标准：（1）材料的显微结构尺寸是否小于100nm；（2）材料和器件是否具有不同于常规材料的、新颖的和重大改进的物理、化学或生物学特性和功能。22.原子力显微镜在纳米加工时有哪几种工作模式？①接触模式：微悬臂探针紧压样品表面，检测时与样品保持接触，作用力（斥力）通过微悬臂的变形进行测量。该模式下，针尖与样品表面相接触，分辨率高，但成像时针尖对样品的作用力较大，适合表面结构稳定的样品。②轻敲模式：用处于共振状态、上下振荡的微悬臂探针对样品表面进行扫描，样品表面起伏使微悬臂探针的振幅产生相应变化，从而得到样品的表面形貌。该模式下，扫描成像时针尖对样品进行“敲击”，两者间只有瞬间接触，能有效克服接触模式下因针尖的作用力，尤其是横向力引起的样品损伤，适合于柔软或吸附样品的检测。③非接触模式。23.扫描隧道显微镜STM曝光加工的特点1）要求抗蚀剂层必须很薄，一般不超过50nm2）STM探针与曝光面之间没有任何电子透镜系统；传统电子束曝光系统有透镜聚焦系统3）STM曝光是低能电子曝光，比传统电子束曝光剂量大24.光学曝光的作用把设计制作的掩模版上的图形转换成基片上的器件结构25.光学曝光可分为掩膜对准式曝光与投影式曝光。其中前者分为接触式曝光和临近式曝光，后者分为1:1投影和缩小投影。接触式曝光和临近式曝光与投影式曝光是三种基本光学曝光方式。26.接触式曝光的致命缺点：掩模的损伤，包括接触摩擦对掩模上铬层的破坏，也可能使部分光刻胶由于接触粘附到掩模版上.27.光学曝光加工的工序有10步：（1）基片表面处理。通常清洗后的基片需要在烘箱（150-200℃）干燥15分钟到半小时。为了保证光刻胶在后续的刻蚀工艺中不会脱落，有时还要在涂胶之前涂一层化学增附剂.（2）涂胶。将干燥后的基片置于匀胶台上，通过高速旋转将胶均匀地“甩”到整个基片表面。（3）前烘。前烘的目的是为了去除胶膜中残存的溶剂,使胶膜干燥，以增强胶膜与基片的粘附性和胶膜的耐磨性。常用工艺条件为烘箱中（80℃）干燥10-15分钟或热板上（温度100℃）烘烤1分钟。（4）曝光。涂有光刻胶的基片可以放进光刻机中进行曝光。如果不是第一次曝光则需要首先找到基片上的对准标记，与掩模上的标记对准。当一定波长的光线（一般利用紫外光）通过掩模上的透光区照射到光刻胶上，被辐照的光刻胶就会发生相应的光化学反应。(5)后烘。光线照射到光刻胶与基片界面上会产生部分反射，反射光会使掩模不透光区下边的光刻胶进行曝光；反射光与入射光叠加会形成驻波,驻波会造成光刻胶边缘曝光结果出现螺纹状.（6）显影。将显影液全面地喷在光刻胶上，或将曝光后的样片浸在显影液中几十秒钟，则正型光刻胶的曝光部分(或负型胶的未曝光部分)被溶解，从而形成了图形.(7)清除残胶。显影后通常会在基片表面残留一层非常薄(约几纳米)的胶层,不利于下一步的图形转移.主要用氧气等离子刻蚀半分钟。(8)坚膜。坚膜又叫硬烘烤.一般将显影后的基片通过加温烘烤使经显影时软化、膨胀的胶膜坚固。(9)图形转移。通过湿法腐蚀或干法刻蚀的方法把经曝光、显影后光刻胶微图形中下层材料的裸露部分去掉，即在下层材料上重现与光刻胶相同的图形。（10）去胶。图形转移后,光刻胶已完成使命,需要清除掉。28.光刻胶一般分为两种：正型（Positive）光刻胶：所产生的图案将会与掩模版上的图案相同负型（Negative）光刻胶：所产生的图案与掩模版上的相反29.纳米压印模板材料选择需注意哪些问题？选择模板材料的关键在于它们的机械特性。包括硬度，热膨胀系数和导热性。通常要求模板材料硬度和拉伸强度高，热膨胀系数小，抗腐蚀性好，确保模版耐磨，变形小，从而保证其压印精度和使用寿命。30.热压印法的工艺过程分三步:压模制备、压印过程、图形转移31.热压印的基本原理：利用电子束刻印技术或其他先进技术，把坚硬的压模毛坯加工成一个压模:然后在用来绘制纳米图案的基片上旋涂一层聚合物薄膜，将其放人压印机加热并且把压模压在基片上的聚合物薄膜上，再把温度降低到聚合物凝固点附近并且把压模与聚合物层相分离，就在基片上做出了凸起的聚合物图案(还要稍作腐蚀除去凹处残留的聚合物)32.紫外压印的工艺流程：1.首先都必须准备一个具有纳米图案的模版，而UV-NIL的模版材料必须使用可以让紫外线穿透的石英；2.并且在硅基板涂布一层低粘度、对UV感光的液态高分子光刻胶；3.在模版和基板对准充成后，将模版压入光刻胶层并且照射紫外光使光刻胶发生聚合反应硬化成形；4.然后脱模、进行刻蚀基板上残留的光刻胶便完成整个UV-NIL33.自组装纳米加工一般具有如下4个特征：①由个体集合形成整体组织或系统的过程是自发的、自动的。自发意味着一旦条件满足,个体组装成整体的过程自然起始；自动意味着在组装过程中不需要人为干涉进程。因此，自组装是个体之间相互作用的结果。②个体之间的结合是非共价键力的结合。微观层次的自组装依赖于分子间的吸引或排斥力，其中最常见的是氢键作用力，即通过氢键将不同分子链接成不同分子结构系统③组成整体组织或系统的个体必须能够自由运动或迁移。只有个体能够自由运动才能发生个体之间的相互作用，才能有自组装过程发生，所以分子或微观粒子的自组装一般是在液体环境中或固体表面发生。④自组装形成的整体组织或系统是个体相互作用的热力学平衡或能量平衡的结果。在平衡条件下，个体之间保持等距离和长程有序周期分布，而不是随机聚集。34.实验纳米粒子自组装需满足三个条件；①纳米粒子必须能够自由运动，以发生相互作用②纳米粒子必须足够小，才能让悬浮液中的纳米粒子能自发的做布朗运动③粒子直径应当均匀一致。35.纳米粒子组装成的二维或三维类晶体结构的用途：1)直接用来作为光子晶体材料,或高密度磁存储介质2)作为母版，由其翻制成其他材料的周期性纳米结构。36.刻蚀：利用化学或物理方法将未受光刻胶保护部分的材料从表面逐层清除刻蚀的两个基本