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1、纳米加工技术纳米加工技术第一页，本课件共有30页1.纳米加工技术简介2.纳米加工的关键技术3.纳米加工技术中的纳米器件4.纳米加工技术的应用 第二页，本课件共有30页纳米？1(nm):1毫米(mm)的百万分之一，头发的直径的万分之一。蛋白质、DNA、RNA、病毒，都在1100nm的范围光合作用在“纳米车间”进行细胞中的一些结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞象一个“纳米工厂”莲花荷叶出污泥而不染:“荷叶效应”纳米加工技术简介第三页，本课件共有30页什么是纳米加工？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。精度为3O3 m，粗糙度为O3O
2、03m的叫精密加工；精度为03003 m，粗糙度为0030005 m的叫超精密加工，或亚微米加工；精度为003 m（30纳米），粗糙度优于0005 m以上的则称为纳米（nm）加工。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。纳米加工技术简介第四页，本课件共有30页 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。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
3、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。纳
4、米加工技术简介第五页，本课件共有30页当微粒尺寸小于100nm时，会产生许多与宏观状态下不同的特性：量子尺寸效应小尺寸效应表面和界面效应宏观量子隧道效应纳米加工技术简介第六页，本课件共有30页总的来说，物质很多性能会发生改变，从而呈现出既不同于宏观物体，又不同于单个独立原子的奇异现象：熔点降低，蒸汽压升高，活性增大，声、光、电、磁、热、力学等物理性能出现异常。从一定程度上讲，纳米材料、纳米加工制造技术以及纳米测量技术成为纳米科技发展的三个重要支撑技术。纳米加工技术简介第七页，本课件共有30页1.检测技术：常规的机电测量仪在纳米级检测中，一方面受到分辨率和测量精度的局限，达不到预期精度；另一方面
5、还会损伤元件表面。该技术有两个发展方向：光干涉测量技术和扫描显微测量技术。这里主要介绍扫描显微测量技术，如扫描隧道显微镜、原子力显微镜、磁力显微镜、激光力显微镜等等。纳米加工的关键技术纳米加工的关键技术第八页，本课件共有30页扫描隧道显微镜的工作原理该显微镜基于量子理论中的隧道效应。若将极细的探针和被研究物质表面作为两个电极，当探针和样品间举例非常接近时，在外加电场作用下作用下，电子会贯穿两个电极间的绝缘层从一级流向另一极，产生与两电极间距离和表面性质有关的隧道电流，这种效应是电子波动性的直接结果，是一种典型的量子效应。由公式得出，电流强度和两极之间距离成指数关系，所以隧道电流大小和电极间距离
6、密切相关，控制此电流，针尖和样品之间距离就不会改变，在扫描过程中，针尖随着表面起伏而上下运动，这种高低变化就反应了样品表面的起伏。纳米加工的关键技术第九页，本课件共有30页纳米加工的关键技术第十页，本课件共有30页纳米加工的关键技术第十一页，本课件共有30页纳米加工的关键技术第十二页，本课件共有30页2.环境控制扫描探针显微镜原理上讲比较简单，但是实际上要实现并不容易，需要解决一些关键技术：振动：一般地面震动是微米量级的，可是要产生稳定隧道电流，间距必须小于1nm，必须严格控制振动。噪声：产生的电流时纳安级别的，因此必须隔绝电子噪声。针尖：如果针尖很钝，就不可能探测到单个原子，达不到原子分辨率
7、，所以针尖必须很尖。样品：样品必须为导体或者半导体，对于不导电的样品，也要在表面覆盖一层导电膜，对该导电膜也有很高的要求。另外还需要恒温、恒湿、超净环境来进行纳米加工。纳米加工的关键技术第十三页，本课件共有30页3.机床以及工具纳米加工对机床的要求有：高精度，要求机床有高精度进给系统，实现无爬行的纳米级进给；有回转运动时，需要保证有纳米级回转精度。高刚度，要求机床有足够高的刚度，保证工件和工具之间相对位置不受外力作用而改变。高稳定性，要求设备在使用过程中应能长时间保持高精度，抗干扰、抗振动、高耐磨性。纳米加工的关键技术第十四页，本课件共有30页原子排列STM的针尖和样品之间存在范德华力和静电力
8、两种力，调节针尖位置和所加偏压，可以改变力的大小和方向，从而诱导表面单个原子和分子完全脱离表面，或者在表面横向移动，使得表面原子按照一定规律排列。STM可以在吸附表面上进行直接刻写、诱导沉积、刻蚀，还可以对吸附表面上的吸附物质进行操作，从一处移到另一处，或者改变他们的性质。纳米加工与器件第十五页，本课件共有30页纳米加工与器件第十六页，本课件共有30页纳米算盘可虚假使用扫描隧道显微镜，对C60分子进行操纵，从而使得C60在其台阶上只能一个方向运动，从而得到类似中国古代算盘一样的器件，称之为纳米算盘。纳米加工与器件第十七页，本课件共有30页纳米电子器件以纳米技术制造的电子器件，其性能大大优于传统
9、的电子器件：工作速度快，纳米电子器件的工作速度是硅器件的1000倍，因而可使产品性能大幅度提高。功耗低，纳米电子器件的功耗仅为硅器件的1/1000。信息存储量大，在一张不足巴掌大的5英寸光盘上，至少可以存储30个北京图书馆的全部藏书。体积小、重量轻，可使各类电子产品体积和重量大为减小。纳米加工与器件第十八页，本课件共有30页碳纳米管1991年日本NEC公司意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是碳纳米管。碳纳米管具有独特的拓扑结构，良好的导电性能，极高的机械强度等优异的光学、电学和机械性能，应用前景十分广泛。纳米加工与器件第十九页，本课件共有30页碳纳米管的性能力学性能：碳纳米管具有良
10、好的力学性能，抗拉强度达到50200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6；它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。而碳纳米管的熔点也是目前已知材料中最高的。导电性能：碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。而且方向的不同，可以表现出不同的导电性。传热性能：碳纳米管一般具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材
11、料中掺杂微量的碳纳米管,该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善。纳米加工与器件第二十页，本课件共有30页碳纳米管的应用（1）作为扫描探针显微镜的探针 用碳纳米管作为探针型电子显微镜的探针，可以极大提高显微镜的分辨率，更好呈现物体的表面形态。（2）制备纳米电子器件 碳纳米管的尺寸，正好可以作为导线、开关盒记忆元件，应用与微电子器件利用碳纳米管的量子效应，在分子水平上对其进行设计和操作，推动传统电器器件的微型化。金属/半导体型碳纳米管皆具有二极管特性，可以作为最小半导体。纳米加工与器件第二十一页，本课件共有30页（3）微型传感器 由于碳纳米管具有的吸附特性，可以用作气体分子传感器，具有尺寸小、反
12、应快、灵敏度高的特性。（4）电动机械装置 碳纳米管浸泡于电介质中，随外加电压变化，其长度会发生规律性伸展或收缩。迄今为止没有任何材料具有如此优良的伸缩特性。利用这种特性可以制造人造肌肉纤维，以及未来机器人的运动构件。（5）储氢 氢气是十分优秀的能源，但是存储困难。碳纳米管是其良好的储存材料，由于其较高的表面积比，丰富的纳米尺寸孔隙，相对活性炭而言须有更大的氢气吸附能力。纳米加工与器件第二十二页，本课件共有30页（6）锂电池的负极材料 锂离子电池是当前应用最广泛的电池，其性能与电极材料相关，高性能电解材料是获得高性能锂离子电池的基础。碳纳米管的各个性能都十分适合作为锂离子电池的负极材料，有利于改
13、善其放电容量、循环寿命、动力学性能等。（4）医学领域 医生可以向人体血液里注射碳纳米管潜艇式机器人，用于治疗心脏病。可以修复目前技术无法治愈的微细血管，也可以拍摄人体内部的超声波图像。纳米加工与器件第二十三页，本课件共有30页半导体集成电路 我们从CPU制造技术的发展可以看出纳米加工技术的进步。从早期的几微米，发展到几百纳米，再到最近刚上市的i系列cpu达到22纳米，一个指头尖大小的芯片就有几亿甚至十几亿个晶体管。简单地说，处理器的制造过程可以大致分为沙子原料(石英)、硅锭、晶圆、光刻(平版印刷)、蚀刻、离子注入、金属沉积、金属层、互连、晶圆测试与切割、核心封装等。纳米加工技术的应用第二十四页
14、，本课件共有30页纳米加工技术的应用第二十五页，本课件共有30页纳米级微机械纳米加工技术的应用第二十六页，本课件共有30页纳米存储技术近期美国科学家已经找到了一种可以大幅提高现有存储密度和存储寿命的技术。他们通过纳米机械组装出了极为牢固可靠的纳米存储元件，轻松实现了每平方英寸存储密度高达1TB，存储时间超过10亿年，存储密度和存储寿命的爆发性增长。纳米加工技术的应用第二十七页，本课件共有30页纳米存储技术纳米加工技术的应用第二十八页，本课件共有30页纳米生物芯片技术以微纳米技术导控基因自身发射电磁信号，这些信号使其他分子(比如水)带上基因的特征。这意味着基因可以将其特征从一个细胞传给另一个细胞，进行复制犹如遗传物质的量子传输。通过电磁我们可以改变基因的序列，进行细胞的修复和复制，在神经遗传免疫领域作用巨大。纳米加工技术的应用第二十九页，本课件共有30页THE END第三十页，本课件共有30页