納米制造及其關(guān)鍵技術(shù)

1、納米制造及其關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)專(zhuān)題研究與討論摘要 納米制造是多學(xué)科的新型交叉研究領(lǐng)域，對(duì)其基礎(chǔ)研究的深入展開(kāi)可為前沿制造技術(shù)的進(jìn)步提供有力支撐。在過(guò)去的20 多年里，基于納米制造的探索已展示出寬廣的發(fā)展前景，并將在多個(gè)行業(yè)為社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。納米制造可分為機(jī)械加工、化學(xué)腐蝕、能量束加工、復(fù)合加工、隧道掃描顯微技術(shù)加工等多種方法。本文在簡(jiǎn)要介紹納米制造背景、應(yīng)用的同時(shí)，著重介紹納米制造技術(shù)的加工技術(shù)。關(guān)鍵詞：納米制造 納米機(jī)械加工 能量束加工 隧道式近場(chǎng)放電加工1. 綜述 納米科學(xué)技術(shù)是目前發(fā)展迅速、最富有活力的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，受到世界各國(guó)的高度重視。納米科學(xué)與技術(shù)集合交叉了多學(xué)科

2、內(nèi)容，是一個(gè)融前沿探索、高技術(shù)、工程應(yīng)用于一體的科學(xué)技術(shù)體系。納米科技在納米尺寸范圍內(nèi)認(rèn)識(shí)和改造自然，開(kāi)辟了人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界的新層次，使人們改造自然的能力直接延伸到分子、原子尺度水平，這標(biāo)志著人類(lèi)的科學(xué)技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代。許多專(zhuān)家認(rèn)為，以納米科學(xué)為中心的科學(xué)技術(shù)將成為21世紀(jì)的主導(dǎo)。納米科技包括有：納米體系物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米制造學(xué)等等。其中納米制造學(xué)占有重要地位。納米科學(xué)技術(shù)在不同的科學(xué)領(lǐng)域有具體的內(nèi)涵和表現(xiàn)，納米制造科學(xué)技術(shù)主要涉及到納米量級(jí)（0.1100nm）的幾何加工精度、形位加工精度和表面粗糙度。納米制造任務(wù)不是由某一項(xiàng)技術(shù)獨(dú)自完成的，而是由許多方

3、法和技術(shù)所共同承擔(dān)。這些方法相輔相成，各具所長(zhǎng)，構(gòu)成了納米制造技術(shù)群，承擔(dān)著豐富多樣的納米制造任務(wù)。從實(shí)現(xiàn)納米微結(jié)構(gòu)的方式和途徑來(lái)看，構(gòu)成納米制造技術(shù)體系的方法可以分作為兩類(lèi)：一種是通過(guò)原子、分子的移動(dòng)、搬遷、重組來(lái)構(gòu)成納米尺度的微結(jié)構(gòu)，即所謂的自下而上 (Bottomup)的方法，基于掃描隧道顯微鏡STM的原子搬移方法屬于此類(lèi)；另一類(lèi)方法是將大的原材料加工變小，逐步形成所需要的納米結(jié)構(gòu)或器件，這種通常所見(jiàn)的方式可稱(chēng)為自上而下 (Topdown)的方式，束流、超精加工等許多方法都屬于這一類(lèi)。另一方面，納米制造技術(shù)也可以按在制造過(guò)程中材料的增減方式進(jìn)行分類(lèi)：減材過(guò)程(微蝕除、切削加工、電加工、激

4、光加工等)、增材過(guò)程(微沉積、ILGA精密電鑄)。納米制造有著重要的工業(yè)前景，是許多技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生重大發(fā)展的基礎(chǔ)和支撐技術(shù)。納米制造科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域還存在許多未知，需要人們?nèi)ヌ剿?、了解、掌握、發(fā)明和創(chuàng)造。納米制造的新概念、新技術(shù)、新工藝將不斷出現(xiàn)，在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用會(huì)愈來(lái)愈深入和廣泛。2. 納米技術(shù)與納米制造納米技術(shù)（nanotechnology）是用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)，研究結(jié)構(gòu)尺寸在0.1至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用。納米科學(xué)技術(shù)是以許多現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù)，它是現(xiàn)代科學(xué)（混沌物理、量子力學(xué)、介觀物理、分子生物學(xué)）和現(xiàn)代技術(shù)（計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子和掃描隧道顯微鏡技術(shù)、

5、核分析技術(shù)）結(jié)合的產(chǎn)物。圖1 利用納米技術(shù)將氙原子排成IBM圖2 應(yīng)用納米技術(shù)制成的服裝納米制造是描述對(duì)納米尺度的粉末、液體等材料的規(guī)?；纳a(chǎn)，或者描述從納米尺度按照自上而下或自下而上的方式制造器件，是納米技術(shù)的一項(xiàng)具體的應(yīng)用?！凹{米制造”盡管被美國(guó)國(guó)家納米技術(shù)倡議（NNI）等廣泛使用，但并沒(méi)有給出納米制造的明確定義。相反，納米組裝則被定義為：通過(guò)直接或者自組裝方法，在原子或分子水平上制造功能結(jié)構(gòu)或者設(shè)備的能力。相對(duì)于納米組裝而言，納米制造更偏重于納米技術(shù)產(chǎn)品的工業(yè)級(jí)別制造，其重點(diǎn)更多的在于低成本和可靠性等方面。3. 納米制造技術(shù)的制造對(duì)象廣義地說(shuō)，只要尺寸至少在一維尺度上小于100nm結(jié)構(gòu)

6、都是納米技術(shù)的制造對(duì)象。具體言之，該結(jié)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)要求：(1)它是一種符合物理和化學(xué)定律的結(jié)構(gòu)，這些定律是在原子水平級(jí)上的。(2)它是一種生產(chǎn)價(jià)格不超過(guò)所需原材料和能源成本的結(jié)構(gòu)。(3)它能定位裝配和自我復(fù)制。定位裝配就是在適當(dāng)?shù)胤椒派线m當(dāng)?shù)姆肿恿慵?；自我?fù)制能始終保持價(jià)格低廉。納米技術(shù)發(fā)展的不同時(shí)期，納米制造對(duì)象的內(nèi)涵也不同。例如，1990年以前，主要集中在納米顆粒(納米晶、納米相、納米非晶等)以及由它們組成的薄膜與塊體的制備；而1990年到1994年間主要是制備納米復(fù)合材料，一般采用納米微粒與微粒復(fù)合、納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合、以及發(fā)展復(fù)合納米薄膜；1994年以后，納米制造的對(duì)象開(kāi)始涉及

7、納米絲、納米管、微孔和介孔材料；未來(lái)的方向則是制作僅由一個(gè)或數(shù)個(gè)原子構(gòu)成的“納米結(jié)構(gòu)”，并以此來(lái)構(gòu)筑具有三維納米結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。4. 納米制造的加工技術(shù)按加工方式，納米級(jí)加工可分為切削加工、磨料加工（分固結(jié)磨料和游離磨料）、特種加工和復(fù)合加工四類(lèi)。納米級(jí)加工還可分為傳統(tǒng)加工、非傳統(tǒng)加工和復(fù)合加工。傳統(tǒng)加工是指刀具切削加工、固有磨料和游離磨料加工；非傳統(tǒng)加工是指利用各種能量對(duì)材料進(jìn)行加工和處理；復(fù)合加工是采用多種加工方法的復(fù)合作用。納米級(jí)加工技術(shù)也可以分為機(jī)械加工、化學(xué)腐蝕、能量束加工、復(fù)合加工、隧道掃描顯微技術(shù)加工等多種方法。機(jī)械加工方法有單晶金剛石刀具的超精密切削，金剛石砂輪和CBN砂輪的超精密

8、磨削和鏡面磨削、磨、砂帶拋光等固定磨料工具的加工，研磨、拋光等自由磨料的加工等，能束加工可以對(duì)被加工對(duì)象進(jìn)行去除，添加和表面改性等工藝，例如，用激光進(jìn)行切割、鉆孔和表面硬化改性處理。用電子束進(jìn)行光刻、焊接、微米級(jí)和納米級(jí)鉆孔、切削加工，離子和等離子體刻蝕等。屬于能量束的加工方法還包括電火花加工、電化學(xué)加工、電解射流加工、分子束外延等。STM加工是最新技術(shù)，可以進(jìn)行原子級(jí)操作和原子去除、增添和搬遷等。4.1 納米機(jī)械加工納米機(jī)械加工技術(shù)具有原理簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)，是一種重要的由上而下的納米加工技術(shù)。典型的納米機(jī)械加工技術(shù)包括金剛石刀具車(chē)削、金剛石磨粒加工以及金剛石微探針納米刻劃。上個(gè)世紀(jì)80年

9、代，日本大阪大學(xué)和美國(guó)勞倫斯實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了超精密切削加工極限的實(shí)驗(yàn)研究，使用單點(diǎn)金剛石刀具直角車(chē)削電鍍銅，實(shí)現(xiàn)了切削厚度為 1nm 的穩(wěn)定切削。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所采用彈性頂針式光柵刻劃刀刀架和圓弧形刀刃光柵刻劃刀，加工出了刻線(xiàn)密度為1001/mm的 10.6Lm激光系統(tǒng)用 30 m曲率半徑凹面金屬光柵。圖3 納米刃口刀具的制備圖4 基于所制備的刀具制造的菲涅耳衍射元件4.2微細(xì)電解加工電解加工是利用金屬陽(yáng)極電化學(xué)溶解原理來(lái)去除材料的加工技術(shù)，這種加工原理使得電解加工具有微細(xì)加工的可能。如圖5所示，電解加工系統(tǒng)由陰極、陽(yáng)極、電源、電解液及電解槽等部分組成。通過(guò)降低加工電壓、提高

10、脈沖頻率和電解液濃度, 可將加工間隙控制在10m以下。圖5 電解加工原理圖6 電解加工機(jī)床4.3 能量束加工能量束加工包含電子束加工、離子束加工和激光束加工，可用于打孔、切割、刻蝕、焊接、表面熱處理、表面改性等加工。下面介紹電子束加工。電子束加工原理如圖7所示，在真空中將陰極（電子槍?zhuān)┎粩喟l(fā)射出來(lái)的負(fù)電子向正極加速，并聚焦成極細(xì)的、能量密度極高的束流，高速運(yùn)動(dòng)的電子撞擊到工件表面，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使材料熔化、氣化并在真空中被抽走?？刂齐娮邮膹?qiáng)弱和偏轉(zhuǎn)方向，配合工作臺(tái)x、y方向的數(shù)控位移，可實(shí)現(xiàn)打孔、成型切割、刻蝕、焊接、表面熱處理、光刻曝光等工藝?？稍?.5mm不銹鋼板上加工出3m的小孔，切

11、割出36m的窄縫，可在硅片上刻出寬2.5m、深0.25m的細(xì)槽。集成電路制造中廣泛采用電子束光刻曝光，由于電子束射線(xiàn)的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光短得多，所以比用可見(jiàn)光光刻可以達(dá)到更高的0.25m線(xiàn)條圖形分辨率。用波長(zhǎng)更短的x射線(xiàn)聚焦后對(duì)特殊的光敏抗蝕劑進(jìn)行掃描曝光，可以刻蝕出更精密的圖形。圖7 電子束加工原理圖圖8 電子束加工設(shè)備4.4基于STM的納米加工掃描隧道顯微鏡(STM)是一種基于量子隧道效應(yīng)的高分辨率顯微鏡，它可達(dá)到原子量級(jí)的分辨率，同時(shí)它還可以進(jìn)行原子、分子的搬遷、去除和添加，實(shí)現(xiàn)納米量級(jí)甚至原子量級(jí)的超微細(xì)加工。在STM工作時(shí)，探針針尖與工件表面之間保持1納米以下極其微小的距離，施加在針尖和基

12、材間的電壓導(dǎo)致很高的場(chǎng)強(qiáng)，產(chǎn)生隧道電流束。通過(guò)改變場(chǎng)強(qiáng)等某些參數(shù)，處于針尖下的樣品由于電子束的影響會(huì)發(fā)生某些物理化學(xué)變化，如：相變、化學(xué)反應(yīng)、吸附、化學(xué)沉淀和腐蝕等，這就給“加工”提供了可能。同時(shí)由于隧道電流束空間通道極其狹小，因此受到影響或發(fā)生反應(yīng)的表面區(qū)域也十分微小，直徑通常在納米量級(jí)。在如此小的區(qū)域上發(fā)生某種反應(yīng)和變化意味著納米級(jí)加工、納米級(jí)微結(jié)構(gòu)的制造。自1981年STM問(wèn)世以來(lái)，基于它的加工技術(shù)己經(jīng)進(jìn)行了很多探索性工作，研究在多個(gè)方面展開(kāi)：微小粒子及單原子操作、表面直接刻寫(xiě)、光刻、沉積和刻蝕，已經(jīng)有許多加工實(shí)例被演示和報(bào)道。利用STM技術(shù)進(jìn)行刻蝕和沉積也受到特別關(guān)注。加工過(guò)程可在溶液

13、中或氣相環(huán)境下進(jìn)行。采用稀釋的HF等腐蝕性液體作為電解液，施加適當(dāng)?shù)乃淼离娏?、偏置電壓和掃描速度，可在某些材料上進(jìn)行直接刻蝕，腐蝕出納米級(jí)寬度的線(xiàn)條，而當(dāng)采用含有金屬離子的電解液時(shí)，通過(guò)適當(dāng)?shù)募庸ひ?guī)準(zhǔn)和條件，針尖對(duì)應(yīng)的局部微小區(qū)域會(huì)產(chǎn)生金屬離子的電化學(xué)沉積，形成納米級(jí)寬和高的微結(jié)構(gòu)。STM可以提供低能聚焦電子束，由計(jì)算機(jī)控制作精確的掃描運(yùn)動(dòng)，對(duì)涂覆了抗蝕膜的樣品表面進(jìn)行直寫(xiě)光刻口由于這個(gè)低能電子束的束徑極小，因此可以獲得很小線(xiàn)寬的圖形。通過(guò)對(duì)抗蝕膜顯影處理、金屬沉積、抗蝕膜去除等一系列工藝，最終在表面形成金屬薄膜構(gòu)成的圖形。STM在納米刻蝕方面的表現(xiàn)已引起極大的關(guān)注。圖9 STM結(jié)構(gòu)示意圖圖1

14、0 STM 加工系統(tǒng)4.5 復(fù)合加工復(fù)合加工是采用幾種不同的能量形式、幾種不同的工藝方法, 相互取常補(bǔ)短、復(fù)合作用的加工技術(shù), 例如電解研磨、超聲電解、超聲電解研磨、超聲電鑄、超聲電火花、超聲激光加工等等, 可比單一加工方法更有效, 適用范圍更廣泛。5.結(jié)束語(yǔ)納米制造是納米科學(xué)技術(shù)的核心部分。它是高度交叉的綜合性學(xué)科,這一新的學(xué)科體系正在形成,它涉及到許多新原理、新技術(shù)、新思維,交叉融會(huì)了多學(xué)科知識(shí)。納米制造技術(shù)在航空、航天、電子、信息、微機(jī)械、生物、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。通過(guò)查閱資料，我對(duì)納米制造技術(shù)有了初步的認(rèn)識(shí)，了解了納米制造與傳統(tǒng)的制造工藝的主要不同與其各自的優(yōu)勢(shì)，從整體上把握了納米加工常用的幾類(lèi)方法，并對(duì)其中典型的方法進(jìn)行了初步了解。納米制造及其關(guān)鍵技術(shù)是一項(xiàng)范圍很大的研究題目，涉及到物理、化學(xué)、機(jī)械、等多領(lǐng)域的知識(shí)，在短時(shí)間內(nèi)是不可能盡數(shù)掌握的，但在撰寫(xiě)小論文的過(guò)程對(duì)我開(kāi)闊視野、擴(kuò)展知識(shí)面有著很大的幫助。參考文獻(xiàn)：1 朱荻. 納米制造技術(shù)與特種加工D. 南京：南京航空航天大學(xué).2 房豐洲. 納米制造基礎(chǔ)研究的相關(guān)進(jìn)展J. 中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué), 2014, 5: 9-15. 3 沈健. 納米技術(shù)進(jìn)展研究D. 中南大學(xué), 2004.4