納米加工技術(shù)

納米加工技術(shù)第一頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.納米加工技術(shù)簡(jiǎn)介2.納米加工的關(guān)鍵技術(shù)3.納米加工技術(shù)中的納米器件4.納米加工技術(shù)的應(yīng)用第二頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五納米？1(nm):1毫米(mm)的百萬(wàn)分之一，頭發(fā)的直徑的萬(wàn)分之一。蛋白質(zhì)、DNA、RNA、病毒，都在1~100nm的范圍光合作用在“納米車間”

進(jìn)行細(xì)胞中的一些結(jié)構(gòu)單元都是執(zhí)行某種功能的“納米機(jī)械”，細(xì)胞象一個(gè)“納米工廠”蓮花荷葉出污泥而不染:“荷葉效應(yīng)”納米加工技術(shù)簡(jiǎn)介第三頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五什么是納米加工？納米級(jí)精度的加工和納米級(jí)表層的加工，即原子和分子的去除、搬遷和重組。是納米技術(shù)主要內(nèi)容之一。精度為3～O．3μm，粗糙度為O．3～O·03μm的叫精密加工；精度為0．3～0．03μm，粗糙度為0．03～0．005μm的叫超精密加工，或亞微米加工；精度為0．03μm（30納米），粗糙度優(yōu)于0．005μm以上的則稱為納米（nm）加工。納米加工的實(shí)質(zhì)就是要切斷原子間的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)原子或分子的去除，切斷原子間結(jié)合所需要的能量，必然要求超過(guò)該物質(zhì)的原子間結(jié)合能。

納米加工技術(shù)簡(jiǎn)介第四頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五

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。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。納米加工技術(shù)簡(jiǎn)介第五頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五當(dāng)微粒尺寸小于100nm時(shí)，會(huì)產(chǎn)生許多與宏觀狀態(tài)下不同的特性：量子尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng)表面和界面效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng)納米加工技術(shù)簡(jiǎn)介第六頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五總的來(lái)說(shuō)，物質(zhì)很多性能會(huì)發(fā)生改變，從而呈現(xiàn)出既不同于宏觀物體，又不同于單個(gè)獨(dú)立原子的奇異現(xiàn)象：熔點(diǎn)降低，蒸汽壓升高，活性增大，聲、光、電、磁、熱、力學(xué)等物理性能出現(xiàn)異常。從一定程度上講，納米材料、納米加工制造技術(shù)以及納米測(cè)量技術(shù)成為納米科技發(fā)展的三個(gè)重要支撐技術(shù)。納米加工技術(shù)簡(jiǎn)介第七頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.檢測(cè)技術(shù)：常規(guī)的機(jī)電測(cè)量?jī)x在納米級(jí)檢測(cè)中，一方面受到分辨率和測(cè)量精度的局限，達(dá)不到預(yù)期精度；另一方面還會(huì)損傷元件表面。該技術(shù)有兩個(gè)發(fā)展方向：光干涉測(cè)量技術(shù)和掃描顯微測(cè)量技術(shù)。這里主要介紹掃描顯微測(cè)量技術(shù)，如掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、磁力顯微鏡、激光力顯微鏡等等。納米加工的關(guān)鍵技術(shù)納米加工的關(guān)鍵技術(shù)第八頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五掃描隧道顯微鏡的工作原理該顯微鏡基于量子理論中的隧道效應(yīng)。若將極細(xì)的探針和被研究物質(zhì)表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)探針和樣品間舉例非常接近時(shí)，在外加電場(chǎng)作用下作用下，電子會(huì)貫穿兩個(gè)電極間的絕緣層從一級(jí)流向另一極，產(chǎn)生與兩電極間距離和表面性質(zhì)有關(guān)的隧道電流，這種效應(yīng)是電子波動(dòng)性的直接結(jié)果，是一種典型的量子效應(yīng)。由公式得出，電流強(qiáng)度和兩極之間距離成指數(shù)關(guān)系，所以隧道電流大小和電極間距離密切相關(guān)，控制此電流，針尖和樣品之間距離就不會(huì)改變，在掃描過(guò)程中，針尖隨著表面起伏而上下運(yùn)動(dòng)，這種高低變化就反應(yīng)了樣品表面的起伏。納米加工的關(guān)鍵技術(shù)第九頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五納米加工的關(guān)鍵技術(shù)第十頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五納米加工的關(guān)鍵技術(shù)第十一頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五納米加工的關(guān)鍵技術(shù)第十二頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.環(huán)境控制掃描探針顯微鏡原理上講比較簡(jiǎn)單，但是實(shí)際上要實(shí)現(xiàn)并不容易，需要解決一些關(guān)鍵技術(shù)：振動(dòng)：一般地面震動(dòng)是微米量級(jí)的，可是要產(chǎn)生穩(wěn)定隧道電流，間距必須小于1nm，必須嚴(yán)格控制振動(dòng)。噪聲：產(chǎn)生的電流時(shí)納安級(jí)別的，因此必須隔絕電子噪聲。針尖：如果針尖很鈍，就不可能探測(cè)到單個(gè)原子，達(dá)不到原子分辨率，所以針尖必須很尖。樣品：樣品必須為導(dǎo)體或者半導(dǎo)體，對(duì)于不導(dǎo)電的樣品，也要在表面覆蓋一層導(dǎo)電膜，對(duì)該導(dǎo)電膜也有很高的要求。另外還需要恒溫、恒濕、超凈環(huán)境來(lái)進(jìn)行納米加工。納米加工的關(guān)鍵技術(shù)第十三頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.機(jī)床以及工具納米加工對(duì)機(jī)床的要求有：高精度，要求機(jī)床有高精度進(jìn)給系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)爬行的納米級(jí)進(jìn)給；有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要保證有納米級(jí)回轉(zhuǎn)精度。高剛度，要求機(jī)床有足夠高的剛度，保證工件和工具之間相對(duì)位置不受外力作用而改變。高穩(wěn)定性，要求設(shè)備在使用過(guò)程中應(yīng)能長(zhǎng)時(shí)間保持高精度，抗干擾、抗振動(dòng)、高耐磨性。納米加工的關(guān)鍵技術(shù)第十四頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五原子排列STM的針尖和樣品之間存在范德華力和靜電力兩種力，調(diào)節(jié)針尖位置和所加偏壓，可以改變力的大小和方向，從而誘導(dǎo)表面單個(gè)原子和分子完全脫離表面，或者在表面橫向移動(dòng)，使得表面原子按照一定規(guī)律排列。STM可以在吸附表面上進(jìn)行直接刻寫(xiě)、誘導(dǎo)沉積、刻蝕，還可以對(duì)吸附表面上的吸附物質(zhì)進(jìn)行操作，從一處移到另一處，或者改變他們的性質(zhì)。納米加工與器件第十五頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五納米加工與器件第十六頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五納米算盤(pán)可虛假使用掃描隧道顯微鏡，對(duì)C60分子進(jìn)行操縱，從而使得C60在其臺(tái)階上只能一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，從而得到類似中國(guó)古代算盤(pán)一樣的器件，稱之為納米算盤(pán)。納米加工與器件第十七頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五納米電子器件以納米技術(shù)制造的電子器件，其性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)的電子器件：工作速度快，納米電子器件的工作速度是硅器件的1000倍，因而可使產(chǎn)品性能大幅度提高。功耗低，納米電子器件的功耗僅為硅器件的1/1000。信息存儲(chǔ)量大，在一張不足巴掌大的5英寸光盤(pán)上，至少可以存儲(chǔ)30個(gè)北京圖書(shū)館的全部藏書(shū)。體積小、重量輕，可使各類電子產(chǎn)品體積和重量大為減小。納米加工與器件第十八頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五碳納米管1991年日本NEC公司意外發(fā)現(xiàn)了由管狀的同軸納米管組成的碳分子,這就是碳納米管。碳納米管具有獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，良好的導(dǎo)電性能，極高的機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)和機(jī)械性能，應(yīng)用前景十分廣泛。納米加工與器件第十九頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五碳納米管的性能力學(xué)性能：碳納米管具有良好的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度達(dá)到50～200GPa,是鋼的100倍,密度卻只有鋼的1/6；它的彈性模量可達(dá)1TPa，與金剛石的彈性模量相當(dāng)，約為鋼的5倍。碳納米管的硬度與金剛石相當(dāng)，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸。而碳納米管的熔點(diǎn)也是目前已知材料中最高的。導(dǎo)電性能：碳納米管具有良好的導(dǎo)電性能，由于碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，所以具有很好的電學(xué)性能。而且方向的不同，可以表現(xiàn)出不同的導(dǎo)電性。傳熱性能：碳納米管一般具有非常大的長(zhǎng)徑比，因而其沿著長(zhǎng)度方向的熱交換性能很高，相對(duì)的其垂直方向的熱交換性能較低，通過(guò)合適的取向，碳納米管可以合成高各向異性的熱傳導(dǎo)材料。另外，碳納米管有著較高的熱導(dǎo)率，只要在復(fù)合材料中摻雜微量的碳納米管,該復(fù)合材料的熱導(dǎo)率將會(huì)可能得到很大的改善。納米加工與器件第二十頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五碳納米管的應(yīng)用（1）作為掃描探針顯微鏡的探針 用碳納米管作為探針型電子顯微鏡的探針，可以極大提高顯微鏡的分辨率，更好呈現(xiàn)物體的表面形態(tài)。（2）制備納米電子器件 碳納米管的尺寸，正好可以作為導(dǎo)線、開(kāi)關(guān)盒記憶元件，應(yīng)用與微電子器件利用碳納米管的量子效應(yīng)，在分子水平上對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)和操作，推動(dòng)傳統(tǒng)電器器件的微型化。金屬/半導(dǎo)體型碳納米管皆具有二極管特性，可以作為最小半導(dǎo)體。納米加工與器件第二十一頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五（3）微型傳感器 由于碳納米管具有的吸附特性，可以用作氣體分子傳感器，具有尺寸小、反應(yīng)快、靈敏度高的特性。（4）電動(dòng)機(jī)械裝置 碳納米管浸泡于電介質(zhì)中，隨外加電壓變化，其長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生規(guī)律性伸展或收縮。迄今為止沒(méi)有任何材料具有如此優(yōu)良的伸縮特性。利用這種特性可以制造人造肌肉纖維，以及未來(lái)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件。（5）儲(chǔ)氫 氫氣是十分優(yōu)秀的能源，但是存儲(chǔ)困難。碳納米管是其良好的儲(chǔ)存材料，由于其較高的表面積比，豐富的納米尺寸孔隙，相對(duì)活性炭而言須有更大的氫氣吸附能力。納米加工與器件第二十二頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五（6）鋰電池的負(fù)極材料 鋰離子電池是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的電池，其性能與電極材料相關(guān)，高性能電解材料是獲得高性能鋰離子電池的基礎(chǔ)。碳納米管的各個(gè)性能都十分適合作為鋰離子電池的負(fù)極材料，有利于改善其放電容量、循環(huán)壽命、動(dòng)力學(xué)性能等。（4）醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 醫(yī)生可以向人體血液里注射碳納米管潛艇式機(jī)器人，用于治療心臟病?？梢孕迯?fù)目前技術(shù)無(wú)法治愈的微細(xì)血管，也可以拍攝人體內(nèi)部的超聲波圖像。

納米加工與器件第二十三頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五半導(dǎo)體集成電路 我們從CPU制造技術(shù)的發(fā)展可以看出納米加工技術(shù)的進(jìn)步。從早期的幾微米，發(fā)展到幾百納米，再到最近剛上市的i系列cpu達(dá)到22納米，一個(gè)指頭尖大小的芯片就有幾億甚至十幾億個(gè)晶體管。 簡(jiǎn)單地說(shuō)，處理器的制造過(guò)程可以大致分為沙子原料(石英)、硅錠、晶圓、光刻(平版印刷)、蝕刻、離子注入、金屬沉積、金屬層、互連、晶圓測(cè)試與切割、核心封裝等。納米加工技術(shù)的應(yīng)用第二十四頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五納米加工技術(shù)的應(yīng)用第二十五頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五納米級(jí)微機(jī)械納米加工技術(shù)的應(yīng)用第二十六頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五納米存儲(chǔ)技術(shù)近期美國(guó)科學(xué)家已經(jīng)找到了一種可以大幅提高現(xiàn)有存儲(chǔ)密度和存儲(chǔ)壽命的技術(shù)。他們通過(guò)納米機(jī)械組裝出了極為牢固可靠的納米存儲(chǔ)元件，輕松實(shí)現(xiàn)了每平方英寸存儲(chǔ)密度高達(dá)1TB，存儲(chǔ)時(shí)間超過(guò)10億年，存儲(chǔ)密度和存儲(chǔ)壽命的爆發(fā)性增長(zhǎng)。納米加工技術(shù)的應(yīng)用第二十七頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五納米存儲(chǔ)