纳米加工技术和动态图像捕捉技术的已有研究成果

纳米加工技术和动态图像捕捉技术的已有研究成果、发展背景及趋势一．纳米加工技术概述纳米级精度的加工和纳米级表层的加工，即原子和分子的去除、搬迁和重组是纳米技术主要内容之一。纳米加工技术担负着支持最新科学技术步的重要使命。国防战略发展的需要和纳米级精度产品高利润市场的吸引，促使了纳米加工技术产生并迅速发展。例如，现代武器惯导仪表的精密陀螺、激光核聚变反射镜、大型天体望远镜反射镜和多面棱镜、大规模集成电路硅片、计算机磁盘及复印机磁鼓等都需要进行纳米级加工。纳米加工技术的发展也促进了机械、电子、半导体、光学、传感器和测量技术以及材料科学的发展。美国在开发纳米加工技术方面，起着先导作用。由于电子技术、计算机技术、航空航天技术和激光技术等尖端技术发展的需要，美国于1962年研制出金刚石刀具超精细切削机床，解决了激光核聚变反射镜及天体望远镜等光学零件和计算机磁盘等精密零件的加工，打下了纳米加工技术的基础，随后，西欧和日本纳米加工技术发展较快。纳米加工技术是一门新兴的综合性加工技术。它集成了现代机械学、光学、电子、计算机、测量及材料等先进技术成就，使得加工的精度从20世纪60年代初的微米级提高到目前的10nm级，在短短几十年内使产品的加工精度提高了1～2个数量级，极大的改善了产品的性能和可靠性。目前，纳米加工技术已成为国家科学技术发展水平的重要标志。随着各种新型功能陶瓷材料的不断研制成功，以及用这些材料作为关键元件的各类装置的高性能化，要求功能陶瓷元件的加工精度达到纳米级甚至更高，这些都有力地促进了纳米加工技术的进步。近年来，纳米技术的出现促使纳米加工向其极限加工精度—原子级加工进行挑战。按加工方式，纳米级加工可分为切削加工、磨料加工（分固结磨料和游离磨料）、特种加工和复合加工四类（表4-2）。纳米级加工还可分为传统加工、非传统加工和复合加工。传统加工是指刀具切削加工、固有磨料和游离磨料加工；非传统加工是指利用各种能量对材料进行加工和处理；复合加工是采用多种加工方法的复合作用。纳米级加工技术也可以分为机械加工、化学腐蚀、能量束加工、复合加工、隧道扫描显微技术加工等多种方法。机械加工方法有单晶金刚石刀具的超精密切削，金刚石砂轮和CBN砂轮的超精密磨削和镜面磨削、磨、砂带抛光等固定磨料工具的加工，研磨、抛光等自由磨料的加工等，能束加工可以对被加工对象进行去除，添加和表面改性等工艺，例如，用激光进行切割、钻孔和表面硬化改性处理。用电子束进行光刻、焊接、微米级和纳米级钻孔、切削加工，离子和等离子体刻蚀等。属于能量束的加工方法还包括电火花加工、电化学加工、电解射流加工、分子束外延等。STM加工是最新技术，可以进行原子级操作和原子去除、增添和搬迁等。我国的发展情况在量子电子器件的研究方面，我国科学家研究了室温单电子隧穿效应，单原子单电子隧道结，超高真空STM，室温库仑阻塞效应和高性能光电探测器以及原子夹层型超微量子器件。清华大学已研制出100nm（0.1µm）级MOS器件，研制出一系列硅微集成传感器、硅微麦克风、硅微马达、集成微型泵等器件，以及基于微纳米三维加工的新技术与新方法的微系统。中国科学院半导体所研制了量子阱红外探测器（13～15mm）和半导体量子点激光器（0.7～2.0mm）。中科院物理所已经研制出可在室温下工作的单电子原型器件。西安交通大学制作了碳纳米管场致发射显示器样机，已连续工作了3800小时。在有机超高密度信息存储器件的基础研究方面，中国科学院北京真空物理实验室、中国科学院化学所和北京大学等单位的研究人员，在有机单体薄膜NBPDA上作出点阵，1997年，点径为1.3nm，1998年，点径为0.7nm，2000年，点径为0.6nm，信息点直径较国外报道的研究结果小近一个数量级，是现已实用化的光盘信息存储密度的近百万倍。北京大学采用双组分复合材料TEA/TCNQ作为超高密度信息存贮器件材料，得到信息点为8nm的大面积信息点阵3mm×3mm。复旦大学成功制备了高速高密度存贮器用双稳态薄膜，并已经初步选择合成出几种具有自主知识产权的有机单分子材料作为有机纳米集成电路的基础材料。发展趋势1.利用扫描隧道显微镜和原子力显微镜的纳米加工技术2.化学合成方法化学合成方法是制备纳米尺度电子学器件的另一种途径——用化学过程“自下而上”地把微观体系的物质单元组装成纳米器件。由于用纳米探针进行机械合成很难同时组装数目巨大的纳米结构和器件，所以研究化学合成方法非常重要。3.聚焦离子束技术聚焦离子束(FIB)技术是在电场和磁场的作用下，将离子束聚焦到亚微米甚至纳米量级，通过偏转系统及加速系统控制离子束，实现微细图形的检测分析和纳米结构的无掩模加工。4.准分子激光直写纳米加工技术准分子激光(excimerlaser)以其高分辨率、光子能量大、冷加工、“直写”特点、无环境污染以及对加工材料广泛的适应性，使其成为一种重要的MEMs和纳米加工技术。其加工系统原理如图3所示。5.纳米压印技术于20世纪90年代中叶诞生的纳米压印(naIloimprimlimography，NIL)技术，最近被国外称为“将改变世界的十大新兴技术”之一。NIL技术的概念可说是源自于我们日常生活中盖印章的行为，此动作可将原来在印章上的图形压印到另外一件物体表面上。