第10章纳米级加工技术.ppt

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本科生专业课程,第10章纳米技术邓建新山东大学机械工程学院2010年11月,纳米级（0.1nm100nm）纳米技术包括材料、设计、制造、测量和控制技术，涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域。

在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”，而出现一系列新现象和规律。

量子效应、界面效应、尺寸效应等不可忽略，甚至成为主导因素。

1纳米=10-9m，大约等于十个氢原子并列一直线的长度。

形象地讲，一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般，这就是纳米长度的概念。

人类头发的直径大约有6万至8万纳米。

纳米及纳米技术,纳米技术：

是20世纪80年代末期兴起的新技术，其基本含意是在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操纵和安排原子、分子而达到创新的目的。

主要是在纳米尺度（0.1-100nm）上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，以及如何利用这些特性和相互作用的具有多科交叉性质的科学和技术。

纳米科技研究内容,纳米科技的研究内容：

纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等学科。

纳米技术涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域。

纳米科技大厦,纳米技术研究的主要内容,纳米材料；纳米级传感与控制技术；纳米级测量技术；纳米级加工技术；纳米机械的设计与制造技术。

在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”，而出现一系列新现象和规律。

量子效应、界面效应、尺寸效应等不可忽略，甚至成为主导因素。

人们发现，在0.l一100nm的空间尺度内，物质存在许多奇异的性质。

纳米材料的基本效应,小尺寸效应：

当微粒分割到达一定程度时，其性质将会发生根本性的变化。

量子效应：

电子能级由准连续变为离散能级的现象。

界面效应：

纳米材料由于大量的原子存在于晶界和局部的原子结构不同于大块晶体材料，使纳米材料的自由能增加，纳米材料处于不稳定状态。

表面效应：

纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子或分子所占的比例非常大。

特点：

尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大四个方面应用:

纳米电子学纳米材料科学纳米生物学纳米医学:

发明、设计及生产纳米级的新药物,特点及应用,观察和研究固体表面的微观结构,改造微观世界的手段操纵原子不是梦,进行纳米级微加工表面刻蚀,进行纳米级微加工表面刻蚀,进行纳米级微加工表面刻蚀,1981年：

科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显微镜，原子、分子世界从此可见。

1990年：

首届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩举办，纳米技术形式诞生。

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，强度却是铁的10倍，成为纳米技术研究的热点。

国外纳米技术进展,国外纳米技术进展,移动原子世界上最小的广告,1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。

科学家在试验中发现STM的探针不仅能得到原子图象，而且可以将原子在一个位置吸住，再搬运到另一个地方放下。

这意味着人类从此可以对原子进行操纵！

这在过去只能从科幻小说上看到的情节现在已经成为现实。

移动原子世界上最小的广告,用STM移动分子组成的IBM字样,纳米组装体系是以纳米颗粒、纳米丝或纳米管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系，如人造超原子体系、有序阵列等。

人工组装合成的纳米结构的体系,纳米齿轮,纳米轨道状,C纳米索线,纳米多层管,C纳米管和C60球,C纳米管,多层C纳米管,C脚手架,C60晶体管,国外纳米技术进展,实心的纳米棒、纳米线、量子线,材料世界中的大力士-纳米金属块体金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料，它会变得十分结实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样富于弹性。

纳米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性，高硬度和耐高温，使发动机工作在更高的温度下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。

纳米陶瓷刚柔并济！

纳米陶瓷,纳米存储器，存储密度可达每平方厘米10万亿字节。

国外纳米技术进展,朗讯公司和牛津大学:

纳米镊子碳纳米管“秤”，称量一个病毒的重量称量单个原子重量的“纳米秤”,机器人配备纳米“大脑”,“纳米科技战士”,这种人手模型上的聚合体遇电会收缩弯曲，可装备在作战服上作为“辅助肌肉”增强士兵跳跃、搬运的能力，同时也可用于战场急救。

未来的美军作战服可能就是这个样子,纳米科技的战略地位,21世纪前20年，是发展纳米技术的关键时期，纳米技术将成为推动社会经济各领域快速发展的主导技术。

目前，纳米技术已经成为全世界非常关注的技术，纳电子代替微电子，纳加工代替微加工，纳米材料代替微米材料，纳米生物技术代替微米尺度的生物技术。

只有认识它、发展它，才有可能在未来经济竞争的格局中占据主动。

计算机技术从20世纪70年代开始，每57年都有一个大变化。

一是每18个月单位面积存储信息量要增加一倍，而且价格更便宜；二是计算机每隔57年尺寸要缩小10倍，价格便宜10倍，同时计算的速度提高10倍。

1998年，美国明尼苏达大学率先研制出量子磁盘。

一个量子磁盘只有100纳米大小，完全是纳米阵列，它的存储密度是465G，一个量子磁盘相当于我们现在的磁盘10万个到100万个。

这样一个器件，就要用纳米材料，在纳米尺度内加工。

纳米技术将成为21世纪的主导技术,节约资源、节约能源、净化环境是下一次工业革命的必然趋势。

在下一次工业革命中要想节约资源、能源，就要用纳米尺度的材料做成器件，它的特点是工具小、节省材料、能耗低。

纳米技术在新的工业革命当中将发挥重要的作用。

全球纳米技术产业的年产值已经接近1000亿美元，据估计，到2010年美国要培养80万真正懂纳米科技的人才，纳米科技对美国国民生产总值（GDP）的贡献要达到1万亿美元，并提供200万个就业机会。

科技革命带来的必然结果是引起新的产业革命，而产业革命又必然带来经济的巨大变化和迅速发展。

随着纳米科技的产生和发展，一场新的工业革命即将发生。

纳米科技在21世纪的经济舞台上将扮演举足轻重的角色。

“纳米经济”“钱”途广纳米科技对经济发展的影响,纳米技术在美国,2010年:

80万纳米科技人才,GDP1万亿美元,200万个就业机会能源部的8项优先研究中，6项有关纳米材料本世纪前10年几个关键领域之一，制定了“国家纳米技术倡议”:

纳米材料纳米电子学、光电子学和磁学纳米医学和生物学,军工:

隐形飞机表面涂料、舰船表面纳米涂料美国总统布什2003.12.3日签署了21世纪纳米技术研究开发法案，批准联邦政府在从2005财政年度开始的4年中共投入约37亿美元，用于促进纳米技术的研究开发,纳米技术在日本,国会:

21世纪前20年的立国之本，日本政府总共投资了多于38亿美元在研究上著名大企业:

纳米实用化技术的计划三菱化工建立了（富勒烯）纳米碳管生产线自洁净玻璃、光催化净化水或空气,纳米技术在欧洲,第一个五年纳米科技研究（99-03）已结束第二个五年纳米科技研究（04-09）正在进行中，共计投入了几十亿欧元,纳米技术与当代中国,1993年，中科院操纵原子写字国家纳米科技发展纲要2001-2010和国家纳米科技发展指南框架,纳米绘画艺术纳米中国,中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。

这幅地图到底有多小呢？

打个比方吧，如果把这幅图放大到一张一米见方的中国地图大小的尺寸，就相当于把该幅地图放大到中国辽阔的领土的面积。

纳米绘画艺术纳米中国,纳米技术对竞争力的提升,能源领域：

石油、煤等不可再生资源。

环保领域：

解决水污染的问题、解决空气污染的问题。

微电子：

纳米电子器件、纳米线、纳米传感器。

信息领域：

光纤、发光器件。

纳米技术对竞争力的提升,功能性涂料、薄膜：

防静电涂料、特殊视觉涂料、紫外线吸收涂层、耐磨、防腐、耐高温、耐冲刷涂层。

机械：

纳米结构单元和纳米机械结构陶瓷：

增强、增韧、助烧结,纳米技术对竞争力的提升,化学化工：

催化剂、助催化剂、阻燃剂等。

塑料和橡胶：

制品成型剂、补强剂、抗老化剂。

办公领域：

复印机和激光打印机的墨粉，喷墨打印机墨水、高级墨水。

纳米技术对竞争力的提升,纳米药物：

磁性纳米粒子药物卫生保健品：

防晒霜纺织品：

反射红外线型化纤、杀菌灭菌除臭型化纤,提升国防科技,纳米探测系统纳米材料提高武器打击纳米材料提高防护能力纳米机械系统制造的小型机器人雷达隐身技术纳米卫星,我国“十一五”纳米科技发展重点,纳米电子、纳米光电子材料与微纳器件纳米加工与表征技术纳米生物医用材料：

纳米传感器、重大疾病早期诊断与治疗用纳米材料与器件。

纳米环境与能源材料：

环境友好与资源节约型纳米材料与技术，新型能源纳米材料与器件。

提升传统产业的纳米材料与技术,纳米级加工,纳米级加工的含义纳米级加工的含意是达到纳米级加工精度，包含：

纳米级尺寸精度，纳米级几何形状精度、纳米级表面质量。

纳米级加工的特点,欲得到lnm的加工精度，加工的最小单位必然在亚纳米级。

由于原子间的距离为0.1-0.3nm，纳米级加工实际上已到加工精度的极限。

纳米级加工中试件表面的一个个原于或分子将成为直接的加工对象，因此纳米级加工的物理实质就是要切断原子间的结合，实现原子或分子的去除。

纳米级加工方法,纳米级加工的主要方法：

直接利用光子、电子、离子等基本能子的加工。

近年来纳米级加工有很大的突破，例如：

用电子束光刻和离子刻蚀，己实现0.1m线宽的加工；扫描隧道显微技术已实现单个原子的去除、搬迁、增添和原子的重组。

微米与纳米加工技术可达的水平,目前主要纳米级加工方法：

纳米级机械加工电子束和离子束加工扫描隧道显微加工技术等,一、纳米级机械加工金刚石刀具超精密切削加工有色金属和非金属可能获得Ra（0.02-0.002）m的镜面，刀具仔细研磨时可切lnm切削厚度的切屑。

主要用平面、圆柱面和非球曲面的镜面加工。

最近新发展的金属结合剂砂轮的在线电解修整砂轮的ELID镜面磨削技术可以加工出Ra（0.02-0.002）m的镜面。

精密研磨抛光可以加工出Ra（0.01-0.002）m的镜面。

量块、集成电路的硅基片等都是用精密研磨得到高质量表面。

二、电子束、离子束和激光加工,可用于刻蚀、打孔、切割、焊接、表面处理和表面改性等电子束加工时，被加速的电子将其能量转化成热能以去除穿透层表面的原子，电子束可以聚焦成很小的束班（中0.1m），照射敏感材料，用电子刻蚀可加工出0.1m的线条宽度而在制造集成电路中实际应用。

电子束和离子束加工,离子束加工时，因离子直径为0.1nm数量级，故可以直接将工件表面原子碰撞出去达到加工的目的。

用聚焦的离子束进行刻蚀，可以得到精确的形状和纳米级的线条宽度。

电子束加工,电子束利用热效应加工高速和高能量密度的电子束冲击工件表面，在几分之一秒内与原字相互作用。

电子与原子碰撞，使原子振动产生发热现象几乎所有的能量都转化为热能。

由于电子束能量密度高，作用时间短，所产生的热量来不及传导、扩散就将工件被冲击部分局部熔化、汽化、蒸发成雾状粒子而飞散。

电子束加工,电子束加工特点束径小，能量密度高，能微细聚焦（0.01m），适合于加工深孔、细深孔、窄缝。

热影响范围小，适合于硬、脆、软、韧金属和非金属材料、热敏材料、半导体材料、易氧化材料等加工。

原则上各种材料均能加工，特别适用于加工特硬、难熔金属和非金属材料。

加工速度快，效率高。

非接触加工，无工具损耗；无切削力，加工时间极短，控制性能好，易于实现自动化。

可用于打孔、切槽、焊接、光刻、表面改性。

在真空中加工，无氧化，特别适于加工高纯度半导体材料和易氧化的金属及合金。

加工设备较复杂，投资较大。

多用于微细加工,离子束加工,离子束利用力效应加工离子质量远远大于电子，加速较慢，但一旦加速后，具有远远高于电子的能量。

质量大、动能高的离子冲击工件表面，将产生弹性碰撞，将能量传递给工件的原子和分子，使原子和分子产生溅射，被抛出工件表面。

离子束穿透能力强，被加工表层几乎不产生热量，不引起机械应力和损伤。

将被加速的离子聚焦成细束，射到被加工表面上。

被加工表面受“轰击”后，打出原子或分子，实现分子级去除加工。

离子束溅射去除加工,离子束溅射镀膜加工,用加速的离子从靶材上打出原子或分子，并将这些原子或分子附着到工件上，形成“镀膜”。

溅射镀膜可镀金属，也可镀非金属。

由于溅射出来的原子和分子有相当大的动能，故镀膜附着力极强（与蒸镀、电镀相比）。

离子镀氮化钛，即美观，又耐磨。

应用在刀具上可提高寿命1-2倍。

离子束加工特点是一种以原子、分子为加工单位的加工方法。

加工精度和表面质量高，可达纳米级。

可对各种材料进行加工。

控制性能好，易于实现自动化。

应用广泛，如：

粒子束溅射去除加工、粒子束溅射镀膜加工、离子束注入加工等。

激光束加工,激光束利用热效应加工激光光斑大小可聚焦到微米级。

激光束照射工件，光能被吸收，转化为热能，产生瞬时高温、局部熔化、汽化。

激光束加工是非接触加工，没有力的作用，没有工具，加工速度快。

与电子束和离子束加工比较，激光加工装置简单，无需真空系统。

激光束加工特点加工精度高，激光光斑直径可达1m一下。

加工材料范围广，可对各种材料进行加工。

速度快、效率高。

控制性能好，易于实现自动化。

应用广泛，如：

激光打孔、激光切割、激光微调、激光表面改型、激光存贮、激光测量、激光焊接、激光热处理等。

三、扫描隧道显微加工技术,扫描隧道显微STM（ScanningTunnelingMicroscope）加工技术是纳米加工技术中的最新发展，可实现原子、分子的搬迁、除、增添和排列重组，可实现极限的精加工，原子级的精加工。

扫描隧道显微镜1981年由在IBM瑞士苏黎世实验室工作的G.Binning和H.Rohrer发明。

被列为20世纪80年度世界十大科技成果之一，1986年因此获诺贝尔物理学奖。

扫描隧道显微（STM）,STM工作原理：

基于量子力学的隧道效应。

G.BinningH.Rohrer,扫描隧道显微加工原理,当两个电极之间的距离缩短到1nm时，由于量子力学中粒子的波动性，电流会在外加电场作用下，穿过绝缘势垒，从一个电极流向另一个电极。

用探针在试样表面扫描时，可得到表面的纳米级三维表面形貌。

STM发明最初是用于测量试样表面纳米级形貌。

当扫描隧道显微镜的探针对准试件表面某个原子并非常接近时，由于原子间的作用力，探针针尖可以带动该原子随针尖移动，而不脱离试件表面，实现试件表面原子搬迁。

扫描隧道显微加工技术,STM的加工精度要比传统的光刻技术高的多。

在当今高科技产业飞速发展的时代，由于各种器件的集成度越来越高，传统的毫微米加工技术已经接近理论的极限，因此，纳米加工技术的出现无疑给人们带来了希望。

扫描隧道显微镜示意图,图STM工作过程演示,STM,图STM实物照片,关键技术：

（1）STM探针金属丝经化学腐蚀，在腐蚀断裂瞬间切断电流，获得尖峰，曲率半径为10nm左右。

STM针尖,为解决非导体微观表面形貌测量，借鉴STM原理，C.Binning于1986年发明原子力显微镜。

当两原子间距离缩小到级时，原子间作用力显示出来，造成两原子势垒高度降低，两者之间产生吸引力。

而当两原子间距离继续缩小至原子直径时，由于原子间电子云的不相容性，两者之间又产生排斥力。

AFM两种测量模式：

接触式探针针尖与试件表面距离0.5nm，利用原子间的排斥力。

由于分辨率高，目前采用较多。

其工作原理是：

保持探针与被测表面间的原子排斥力一定，探针扫描时的垂直位移即反映被测表面形貌。

非接触式探针针尖与试件表面距离为0.51nm，利用原子间的吸引力。

原子力显微镜（AFM）,原子力显微镜,AFM实物照片,扫描探针,磁盘图像,AFM探针被微力弹簧片压向试件表面，原子排斥力将探针微微抬起。

达到力平衡。

AFM探针扫描时，因微力簧片压力基本不变，探针随被测表面起伏。

在簧片上方安装STM探针，STM探针与簧片间产生隧道电流，若控制电流不变，则STM探针与AFM探针（微力簧片）同步位移，于是可测出试件表面微观形貌。

AFM结构,移动原子世界上最小的广告,1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。

科学家在试验中发现STM的探针不仅能得到原子图象，而且可以将原子在一个位置吸住，再搬运到另一个地方放下。

这意味着人类从此可以对原子进行操纵！

这在过去只能从科幻小说上看到的情节现在已经成为现实。

通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样,石墨三维图像,用STM移动分子组成的IBM字样,图用STM观察石墨原子排列,移动原子世界上最小的广告,纳米神算子分子算盘,STM探针不仅可以将原子、分子吸住，也可以将它们象算盘珠子一样拨来拨去。

科学家把碳60分子每十个一组放在铜的表面组成了世界上最小的算盘。

与普通算盘不同的是，算珠不是用细杆穿起来，而是沿着铜表面的原子台阶排列的?

这项试验的真正意义在于希望有一天，人们能够自下而上的通过操纵原子、分子来随心所欲地构造新的物质。

纳米神算子分子算盘,纳米绘画艺术纳米中国,中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。

这幅地图到底有多小呢？

打个比方吧，如果把这幅图放大到一张一米见方的中国地图大小的尺寸，就相当于把该幅地图放大到中国辽阔的领土的面积。

纳米绘画艺术纳米中国,谢谢大家！

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