第五章 有序纳米结构及应用
合集下载
有序纳米结构
5.1.4 其它几种纳米刻蚀技术
5.1.4.1 纳米掩膜刻蚀技术 原理：将具有纳米结构的材料有序排布成所需的阵列，通过转移 技术转移到基片表面；利用有序排布的纳米结构做掩膜，结合刻 蚀工艺定义所需的纳米图形。
关键：构建稳定的纳米阵列掩膜 纳米掩膜刻蚀技术： 工艺简单 成本低 适合大规模生产 颇有发展前景
5.2.9 取向搭接自组装 在其它内部驱动力比较微弱的 情况下，纳米晶体粒子会以相 同的晶面互相结合在一起形成 有序的图案。
5.3 自下而上和自上而下相结合制备有序纳米结构
5.3.1 模板诱导自组装
5.3.2 刻蚀辅助的LB膜自组装
5.5.3 刻蚀催化图形自组装
Ng 等人利用电子束刻蚀（EBL）Au纳米点在6H-SiC衬底上催化 生长出了ZnO 纳米线的阵列（a）。 Mårtensson等人则把电子束刻蚀催化纳米图形与化学激光外延 方法（CBE）相结合，成功地在InP（100）B面上合成出了InP 纳米线的阵列（b）。 Jensen等人在 InAs (111)B 面上合成了InAs 纳米线（c）
光刻技术主要包括图形复印和定域刻蚀两个方面。
图形复印，就是经曝光系统将预制在掩模版上的器件或电路图形 按所要求的位置，精确传递到预涂在晶片表面或介质层上的光致 抗蚀剂薄层上。
定域刻蚀就是利用化学或物理方法，将抗蚀剂薄层未掩蔽的晶片 表面或介质层除去，从而在晶片表面或介质层上获得与抗蚀剂薄 层图形完全一致的图形。
5.1 纳米刻蚀技术
传统半导体加工中的光刻工艺 ： 光刻是利用光致抗蚀剂的光敏性和抗蚀性，配合光掩模版对光透 射的选择性，使用光学和化学的方法完成特定区域刻蚀的过程。 光致抗蚀剂简称光刻胶或抗蚀剂，是一种光照后能改变抗蚀能力 的高分子化合物，包括正抗蚀剂和负抗蚀剂两种。 对于正抗蚀剂，紫外光照后，曝光区域在显影液中变得可溶； 对于负抗蚀剂，紫外光照后，曝光区域在显影液中变得不可溶。 光掩模版俗称光掩模或光刻板，是指在光照时覆盖于光刻胶膜 上，除特定区域外均对光有掩蔽作用的图样，也就是晶体管制 作所需图样的模板。
因纳米结构而产生的光学性质与应用
因纳米结构而产生的光学性质与应用随着纳米科技的快速发展，人们对纳米结构的研究越来越深入。
纳米结构的尺度范围从纳米到亚微米，具有较高的比表面积、量子大小效应和表面等离子体等独特的物理和化学性质。
其中，纳米结构对光的相互作用是一项极为重要的性质，其研究已经成为现代光学领域的热点之一。
本文将介绍因纳米结构而产生的光学性质及其在生物医学、能源、信息等方面的应用。
一、表面等离子体共振表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）是一种非常重要的光学现象，它是由在金属表面的界面极化产生的一种电磁波。
这种电磁波可以被外部电磁辐射或散射光谱所引起，产生表面等离子体共振吸收峰。
由于SPR能够对物质的吸附、生物识别和分子浓度等参数进行高灵敏度的检测，因此已被广泛地应用于生物化学、生物传感器、药物筛选和环境监测等领域。
SPR现象的产生与纳米结构的尺度有很大关系。
在纳米尺度下，金属和介质之间的交界面呈现了那些表面等离子体波。
受到外界电磁波的作用，表面等离子体的振动会在界面上造成很大的电场增强，从而使得该区域的吸收和散射光增强。
通过测量吸收和散射光的变化，可以监测到物质之间的相互作用。
因此，在生物医学、食品安全、化学材料、环境监测等领域，SPR技术逐渐成为了检测和监测目标物质的重要手段。
二、光子晶体光子晶体是将空间中的周期性结构应用于光学领域的一种新型材料。
它是由高折射率的物质和低折射率的物质交替排列而成，形成一种对某些波长的光波进行反射或者折射的自然光学结构。
光子晶体的周期性结构具有尺度与光波波长同级的特性，因此它们可以产生强烈的光学效应，如全反射、衍射和光子禁带等现象。
光子晶体的应用领域非常广泛，如光子晶体纳米微球在药物传输和生物成像方面的应用、光子晶体温度传感器、光子晶体稳定颜料等。
以光子晶体的生物应用为例，可以利用光子晶体的镜像反射、偏振性、共振散射等性质实现药物的部位定位和治疗效果的预测。
第五章一维纳米纳米结构单元
激光烧蚀法设备
C60 C70
• Kroto 研究小组 获得的碳原子团 簇的质谱图
• C60具有什么样的结构呢？ • 金刚石和石墨是具有三维结构的巨型分子，
C应6该0和具C有70是不有同固的定结构碳。原子数的有限分子，它们
• 克 罗 托 想 起 美 国 建 筑 师 巴 克 明 斯 特 ·富 勒 BuckminsterFuller 为 1967 年 蒙 特 利 尔 世 博 会 设 计的网络球主体建筑，由五边形和六边形构成 的圆穹屋顶。
新型碳基纳米材料
• C60 （ buckminsterfullere成过程
• 英国萨塞克斯大学的波谱学家克罗托 （H.W.Kroto）在研究星际空间汽暗云中 富含碳的尘埃时，发现此尘埃中有氰基 聚炔分子（HCnN，n<15），克罗托很想 研究该分子形成的机制，但没有相应的 仪器设备。
•化学气相沉积法 Chemical Vapor Deposition Method 解思深
高压CO转换法 High-pressure CO conversion 工 业已放大
• 电弧放电法
• 该方法是在真空反应室中充以一定压力 的惰性气体，采用面积较大的石墨棒 （直径为20mm） 作阴极，面积较小的石 墨棒（直径为10mm）为阳极。在电弧放 电过程中，两石墨电极间总是保持1mm 的间隙，阳极石墨棒不断被消耗，在阴 极沉积出含有NTS、Fullerenes、石墨微 粒、无定形碳和其他形式的碳微粒，同 时在电极室的壁上沉积有由Fullerenes、 无 定 形 碳 等 碳 微 粒 组 成 的 烟 灰 （ Soot ） 。
• 催化电弧法主要是用来制备单壁纳米碳管，也 是目前比较流行的制备方法，很有希望用此法 实现对单壁纳米碳管的连续化、大批量的生产。
有序磁性纳米结构材料的研究
有序磁性纳米结构材料的研究有序磁性纳米结构材料是制备磁性纳米器件的基础。
本文评述了有序磁性纳米结构材料的性质及应用,并讨论了其制备技术及存在的问题,探讨了有序磁性纳米结构材料制备技术的未来发展方向。
标签：纳米材料有序磁性制备技术自组装制备一、有序磁性纳米结构性质及应用有序磁性纳米结构是以纳米尺度的磁性物质结构单元为基础,按一定的规律构筑或营造的一种新的体系,这些基本结构单元主要包括磁性的纳米微粒、纳米管、纳米线、纳米棒、纳米丝等。
磁性纳米材料虽然具有很多独特的性质,但无序的排列并不能在宏观上体现这些性质;而有序的磁性纳米结构,在宏观聚集体中以有序的几何构型,使宏观的磁性效应能够得到很好的控制和修饰。
从实际应用讲,有序磁性纳米结构也是制作磁性随机存取存储器、高密度磁记录介质、磁开关和微机械传感器等微小型器件的基础,因此有序磁性纳米结构的制备技术成为发展磁性纳米器件的关键。
二、有序磁性纳米结构制备技术研究现状1.平板印刷术平板印刷术是制备有序磁性结构传统的方法。
它是在外层掩膜的基础上利用不同的光源辐照适当的光刻胶而形成二维或三维的图案,再利用湿法或干法刻蚀术或者后续的沉积技术等一系列手段来实现图案的转移过程。
辐照光源的波长决定了平板印刷术的分辨率,因此要得到不同特征尺寸和几何形状的图案结构,可以通过使用具有不同波长的光源,比如紫外可见光、电子束、离子束和X射线等。
目前用于制备磁性有序纳米结构的印刷术中较常见的主要有:电子束印刷术、X 射线印刷术、干涉或全息印刷术等以及基于原子力显微镜和扫描隧道显微镜一些印刷术,比如浸笔纳米印刷术等。
2.自组装法自组装是生命最本质的内容之一,如人体体内的蛋白质、核酸等复杂的超分子系统正是通过自组装而形成的。
在化学合成方法中,自组装法是一种获得磁性有序纳米结构的最有效的方法。
所谓自组装,是指原子在底物上或溶液中自发地排列成有序的空间结构。
自组装过程是不需要人为干涉介入,而溶液中的原子、分子、分子团和组件自动排列成有序的一维、二维甚至三维空间结构的过程,其主要原理是通过分子间力的协同作用和空间互补,如静电吸引、氢键、疏水性缔合等来形成一定结构的体系。
第五章 纳米结构材@@@@
第五章 纳米结构材料
纳米结构材料，又称纳米固体材料。 它是由颗粒或晶粒尺寸为1-100nm 的粒子凝聚而成的三维块体。
5.1 纳米结构材料结构特征及研究方法
纳米固体材料的基本构成是纳米微粒加上 它们之间的界面。由于纳米粒子尺寸小， 界面所占体积分数几乎可与纳米微粒所占 体积分数相比拟。因此纳米固体材料的界 面不能简单地看成是一种缺陷，它已成为 纳米固体材料基本构成之一，对其性能的 影响起着举足轻重的作用。
②、间 隙 原 子
质点进入间隙位置成为间隙原子。
③、杂 质 原 子
杂质原子进入晶格（结晶过程中混入或 加入，一般不大于1％，）。
间隙位置—间隙杂质原子
固
进入 正常结点—取代（置换）
溶 体
杂质原子。
４、原 子错位
指固体化合物中部分原子相互错位，即对 化合物MX而言，M原子占据了X原子的位置 或X原子占据了M原子的位置。
补充 从结构上可把固体物质分作三大类
１、晶体 ２、非晶体 ３、准晶体
5
晶体的微观结构高度有序，即组成晶体的原 子、分子或离子在空间规律性地呈现三维周期性 的长程有序排列，形成周期结构----点阵结构。
因此可以用晶体中的基本结构单元----晶胞来 描述晶体的微观对称性。
6
7
晶体格子构造的特点是具有周期性、长程有 序性以及平移对称性等。
9
Al----Mn合金正二十面体结构示意图 Mn原子位于二十面体中心，Al原子占据其周围12个 顶点形成20个正三角形构成的二十面体。
10
由于合金中Mn与Al的 原子比为1:6 ，故Al原子为 两个相邻的Fra bibliotek十面体所共有。
正是由于这个共同的Al原子，使晶粒中所有 的二十面体取向有序，但长程平移无序，出现所 谓的准周期性。
纳米结构材料，又称纳米固体材料。 它是由颗粒或晶粒尺寸为1-100nm 的粒子凝聚而成的三维块体。
5.1 纳米结构材料结构特征及研究方法
纳米固体材料的基本构成是纳米微粒加上 它们之间的界面。由于纳米粒子尺寸小， 界面所占体积分数几乎可与纳米微粒所占 体积分数相比拟。因此纳米固体材料的界 面不能简单地看成是一种缺陷，它已成为 纳米固体材料基本构成之一，对其性能的 影响起着举足轻重的作用。
②、间 隙 原 子
质点进入间隙位置成为间隙原子。
③、杂 质 原 子
杂质原子进入晶格（结晶过程中混入或 加入，一般不大于1％，）。
间隙位置—间隙杂质原子
固
进入 正常结点—取代（置换）
溶 体
杂质原子。
４、原 子错位
指固体化合物中部分原子相互错位，即对 化合物MX而言，M原子占据了X原子的位置 或X原子占据了M原子的位置。
补充 从结构上可把固体物质分作三大类
１、晶体 ２、非晶体 ３、准晶体
5
晶体的微观结构高度有序，即组成晶体的原 子、分子或离子在空间规律性地呈现三维周期性 的长程有序排列，形成周期结构----点阵结构。
因此可以用晶体中的基本结构单元----晶胞来 描述晶体的微观对称性。
6
7
晶体格子构造的特点是具有周期性、长程有 序性以及平移对称性等。
9
Al----Mn合金正二十面体结构示意图 Mn原子位于二十面体中心，Al原子占据其周围12个 顶点形成20个正三角形构成的二十面体。
10
由于合金中Mn与Al的 原子比为1:6 ，故Al原子为 两个相邻的Fra bibliotek十面体所共有。
正是由于这个共同的Al原子，使晶粒中所有 的二十面体取向有序，但长程平移无序，出现所 谓的准周期性。
第五章 纳米电子学
2.电子器件、电路、系统设计
纳米结构 量子阱 量子线
物理效应 共振隧穿效应 高迁移率一维电子气
应用 谐振晶体管、电路和系统 超高速逻辑开关、电路和系统
量子点 量子点接触
可集蓄电子原理
极大容量存贮器
库仑阻塞效应、单电子 单电子晶体管、电路和系统(包 振荡和单电子隧穿效应 含单电子开关和单电子存贮器)
扫描探针显微镜（SPM）技术、分子自组装合成技术以及 特种超微细加工技术
3.4.1 三束光刻加工技术
1、光学光刻技术
光学光刻是IC产业半导体加工的主流技术。通过光 学系统以投影方法将掩模上的大规模集成电路器件结 构图形“刻”在涂有光刻胶硅片上的技术。
减小光源的波长是提高光刻分辨率的最有效途径。 光刻蚀使用240nm的深紫外光波，能否突破100nm成 为现有光学光刻技术所面临的最为严峻的挑战。
1、RT>RK; 2、e2/2C>> KBT。
➢ 1、RT>RK的物理意义：当一个隧道结两端施以偏压U
时，电子的隧穿几率Γ＝U/(eR)，那么两次隧穿事件的时间 间隔为1/Γ=eR/U，而由测不准原则所决定的一次隧穿事件的 周期为h/(eU)。因此，必须满足eR/U＞＞h/eU，即R ＞＞h/e2。 这意味着两次隧穿事件不重叠发生，从而保证电子是一个一 个地隧穿。
光刻技术——X射线刻蚀、电子束刻蚀、软X射线刻蚀、
聚焦离子束刻蚀等
微细加工——扫描探针显微镜(SPM)作为工具的超微细
加工技术
第二节 纳米电子器件的分类
2.1纳米器件与纳米电子器件
2、纳米电子器件
➢纳米电子器件满足两个条件——
1、器件的工作原理基于量子效应； 2、都具有相类似的典型的器件结构——隧穿势垒包围“岛” （或势阱）的结构。
生物大分子的纳米尺度结构和功能研究
生物大分子的纳米尺度结构和功能研究生命起源到现代生态系统的演化历程，是一个自组织、自适应、自生命工程的复杂过程，其中所需要进行的各种化学反应依赖于生物分子之间的相互作用。
生物大分子指的是生物体内的宏分子，包括碳水化合物、脂质、核酸和蛋白质等。
这些宏分子在体内发挥着重要的生理功能，使得生命得以延续。
在宏观上，生物大分子对人类产生的影响通常体现在医药和食品方面。
但是在纳米尺度上，生物大分子却有着更为重要的应用前景，这是因为它们在纳米级别上展现出了诸多奇妙的物理与化学特性。
纳米结构是一种介于分子和宏观物体之间的结构，其尺度一般处于1至100纳米之间。
生物大分子在纳米尺度上的结构与功能的研究，具有重要的理论意义和实际应用意义。
生物大分子的纳米尺度结构生物大分子在纳米尺度的结构与功能已经成为一个火热的领域。
如何解决生物大分子的纳米尺度结构和功能问题，是现代生物化学和物理学研究的重要方向之一。
蛋白质是生物大分子中最具代表性的一类物质，也是生化领域研究的重要对象。
蛋白质的体积尺度约为1-10立方微米，蛋白质分子内部的结构和功能具有高度的复杂性。
纳米技术、生物技术以及计算机技术等现代科技手段的发展，为研究蛋白质的纳米尺度结构和功能奠定了坚实的基础。
比如，通过单分子力谱学，生物学家可以更加精确地测量蛋白质的某些物理参数，以便研究蛋白质的动力学和稳定性。
另外，软物质物理学研究的发展，为研究生物高分子的纳米结构和物性奠定了基础。
比如，细胞膜上的蛋白质聚集可以通过超分子自组装的手段来研究，这为细胞信号传递的机制研究提供了一种新的思路。
DNA是生物大分子中的重要成分之一。
DNA可以自搭建成各种结构，其具有非常多的应用价值。
生物化学家通过建立DNA纳米阵列，可以使得DNA纳米结构以一定的精度组织在平面或三维空间中，从而在光、电磁等方面产生特殊的物理化学性质。
在研究生物大分子的纳米结构和功能的过程中，最关键的问题就是需要充分掌握生物大分子的结构和物性的测量、表征和模拟方法。
第五章 团簇及纳米材料
碱金属卤化物团簇： [Li(LiF)n]+, n=13, 14
碳团簇： Cn , n=20, 24, 28, 32, 36, 50, 60, 70….
在团簇质谱分析中，含有某些特殊原子数的团簇的强度呈现峰 值，表明这些团簇特别稳定，所含原子数即为幻数。
C60固体的质谱
Xe团簇的质谱
3 含特定原子数金属团簇具有能量最低的稳定结构
非碳簇，如B, P, S, Si簇
二元原子团簇：如InnPm, AgnSm等 多元原子团簇：Vn(C6H6)m等
二、从结合方式分
范德华力：He、Ne、Ar、Ke、Xe 离子键：LiF NaCl CuBr CsI 化学键：C60、金属原子团簇
5.1.2 原子团簇的结构与性质
一 原子团簇结构
C60F6、C60F42、
C60F60(特氟隆球) 高温的耐磨材料，一种良好的 润滑剂
3） C60分子也可以与金属离子或非金属离子结合成盐类， 金属原子可在C60笼内或笼外。 金属离子可装入C60笼中 K、Na、Cs、La、 Ca、Ba、Sr 4） C60分子可以作为结构基元，构成C60固体
2 C60固体的物理性质
一 C60的结构特征
C60由20个六边形、12个五边形组成的32面体；
形状类似于足球，球直径为0.71nm，球是空心的；
每三个面的交点处为一个C原子，共60个， c-c 键的杂化介于 sp3和 sp2 之间，以共价键为主，具有方向 性和饱和性。
二 C60的制备
1. 激光蒸发法
2. 苯燃烧法
表面原子数占全部原子数 的比例和粒径之间的关系
4 小尺寸效应
当微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导态的相干长 度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性边 界条件被破坏；导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现 新的小尺寸效应。 如，光吸收显著增加、磁有序 向磁无序转变、超导相向正常 相转变等。
第五章纳米复合材料
例如以烷基盐表面活性剂作为模板剂，可 以对层状中孔结构氧化铝的层间距即无机层 厚度起到一定的调解作用，在有序模板的制 约下，纳米相将具有一些特殊的结构和性质。
29
2、纳米高分子复合材料的优异性能
力学性能 热性能 电性能 阻隔性能 光学性能 流变性能 其他
30
力学性能
利用纳米粒子的表面与界面效应特性，可以 同时提高聚合物基有机无机纳米复合材料的 刚性与韧性。
33
阻隔性能
聚合物基有机无机纳米复合材料具有很好得 阻隔性能，特别是插层法制备得PCH（聚己 内酯）纳米复合材料表现出了良好的尺寸稳 定性和气体阻隔性。
如：在聚己内酯/蒙脱土体系中，纳米材料的相对透过性和传
统的填充聚合物及未填充聚合物相比，均显著下降，并随蒙脱
12
三、纳米高分子复合材料
1、纳米高分子复合材料的制备方法 2、纳米高分子复合材料的优异性能 3、聚合物基纳米复合材料的应用 4、纳米颗粒/高分子复合材料存在的问题
13
纳米高分子复合材料完是由各种纳米单元与有 机型高 复分合子材刚材料性料。以各种美 结方式复合韧性成型的一种新
无机 材料
尺寸稳定 性
23
微乳液聚合法
Gao等在FeCl3水溶液/甲苯/甲基丙烯酸的 微乳液体系中，搅拌，回流2h，得到包覆有 甲基丙烯酸，粒径在19～27nm的Fe2O3， 然后加入适量交联剂二乙烯基苯和引发剂 AIBN。将微乳液加热到70℃维持7h，然后 用甲醇将聚合物/Fe2O3凝胶沉淀出来，制成 了无机有机复合材料。
31
热性能
采用纳米粒子与聚合物复合，所得的纳 米复合材料的热稳定性通常高于聚合物 本体，且在高温时更为明显。
例：Shoichiro6研究了羟基纤维素/二氧化硅复 合材料的热稳定性，发现随二氧化硅含量的增 加，纳米复合材料的热失重温度提高。Biplab 等研究制备的P3HT/蒙脱土纳米复合材料力学 性能和热稳定性提高非常显著，1％的蒙脱土含 量就显示最大的热稳定性。
29
2、纳米高分子复合材料的优异性能
力学性能 热性能 电性能 阻隔性能 光学性能 流变性能 其他
30
力学性能
利用纳米粒子的表面与界面效应特性，可以 同时提高聚合物基有机无机纳米复合材料的 刚性与韧性。
33
阻隔性能
聚合物基有机无机纳米复合材料具有很好得 阻隔性能，特别是插层法制备得PCH（聚己 内酯）纳米复合材料表现出了良好的尺寸稳 定性和气体阻隔性。
如：在聚己内酯/蒙脱土体系中，纳米材料的相对透过性和传
统的填充聚合物及未填充聚合物相比，均显著下降，并随蒙脱
12
三、纳米高分子复合材料
1、纳米高分子复合材料的制备方法 2、纳米高分子复合材料的优异性能 3、聚合物基纳米复合材料的应用 4、纳米颗粒/高分子复合材料存在的问题
13
纳米高分子复合材料完是由各种纳米单元与有 机型高 复分合子材刚材料性料。以各种美 结方式复合韧性成型的一种新
无机 材料
尺寸稳定 性
23
微乳液聚合法
Gao等在FeCl3水溶液/甲苯/甲基丙烯酸的 微乳液体系中，搅拌，回流2h，得到包覆有 甲基丙烯酸，粒径在19～27nm的Fe2O3， 然后加入适量交联剂二乙烯基苯和引发剂 AIBN。将微乳液加热到70℃维持7h，然后 用甲醇将聚合物/Fe2O3凝胶沉淀出来，制成 了无机有机复合材料。
31
热性能
采用纳米粒子与聚合物复合，所得的纳 米复合材料的热稳定性通常高于聚合物 本体，且在高温时更为明显。
例：Shoichiro6研究了羟基纤维素/二氧化硅复 合材料的热稳定性，发现随二氧化硅含量的增 加，纳米复合材料的热失重温度提高。Biplab 等研究制备的P3HT/蒙脱土纳米复合材料力学 性能和热稳定性提高非常显著，1％的蒙脱土含 量就显示最大的热稳定性。
纳米科学与技术第五章c-1
• 亲油端在内、亲水端在外的“水 包油型”胶团，叫“正相胶团” 。
• 亲水端在内、亲油端在外的“油 包水型”胶团，叫“反相胶团”。 • • 正相胶团的直径大约为5-100 nm， 反相胶团的直径约为3-6 nm。
• 助表面活性剂在微乳液形成过程中主要起三种 作用： • 一是降低界面张力; • 二是降低界面的刚性，增加界面膜的柔性，使 界面更易流动，减少微乳液生成时所需的弯曲 能，使微乳液液滴容易生成; • 三是可以起到微调表面活性剂亲水亲油值的作 用。 • 因此，选择合适的助表面活性剂，可以使微乳 液的形成速率加快，制得的液滴更强更均匀。
• A molar excess of CrO42• offsets the growth anisotropy, owing to excess negative surface charge, to produce spherical nanoparticles. The AOT molecules are also negativelycharged, so there is negligible interaction (adsorption)with the particle surface, and therefore no driving force for surfactant-induced aggregation into longer range structures. • An excess of Ba2+ ions, • on the other hand, results in highly positively charged clusters that interact with the AOT headgroups to such an extent that further growth into regularly shaped nanoparticles is inhibited. Instead, large unstructured micellar aggregates are formed which precipitate from solution and slowly transform over a period of days and weeks into filamentous structures
有序纳米结构及其应用(共54张PPT)
外表活性剂分子存在的2种状态：
带电的，所以粒子之间存在静电斥力 这些微结构大都在纳米尺度范围内，可为化学反响提供特殊的微环境，即可以作为微反响器，也可以起到模板的作用
人为利用自组装技术合成材料仅有20年的历史。 外表活性剂分子的自组装
材料学院8
从粒子的负电性考虑，一般将固体的结合分为 五种根本类型，即离子结合、共价键结合、金属结 合、分子结合和氢键结合。
离子晶体一般由负电性相差较大的两个元 素结合而成，它们之间的作用力是正负离子的静电 库仑作用，具有可加性，因而结合能很大，大约 150kcal/mol；共价结合靠两个原子各奉献相同的电 子，形成共用电子对，由于电荷量加倍，因此自旋 相反配对两个原子核的吸引力加强，这种结合所释 放的结合能也很多(大约150kcal/mol)共价结合具有 方向性和饱和性，因而不具有可加性。金属结合是 靠共有 材料学院9 化电子与离子实之间的库仑相互作用结合起
材料学院14
外表活性剂分子的自组装
材料学院15
外表活性剂的结构
❖外表活性剂：头部至少有一个亲水性基团，尾部有 一个疏水性基团，低浓度下，可吸附在外表或界面 上来降低外表能
图5-18 外表活性剂分子的结构示意图
材料学院16
外表活性剂分子的分类
水溶性外表活性剂
按溶解性 油溶性外表活性剂
按在水中是否 离子型外表活性剂
材料学院24
图5-21 微乳液法自组装BaMoO4纳米带的TEM照片
利用范德华力自组装
材料学院25
❖利用范德华力将一种或两种不同材料、不同粒 度的纳米微粒组装在一起，可分别形成一元或 二元晶体〔BNSL〕结构
❖自组装过程的推动力是纳米粒子堆积密度的 最大化，这与范德华力结合的本质是一致的
带电的，所以粒子之间存在静电斥力 这些微结构大都在纳米尺度范围内，可为化学反响提供特殊的微环境，即可以作为微反响器，也可以起到模板的作用
人为利用自组装技术合成材料仅有20年的历史。 外表活性剂分子的自组装
材料学院8
从粒子的负电性考虑，一般将固体的结合分为 五种根本类型，即离子结合、共价键结合、金属结 合、分子结合和氢键结合。
离子晶体一般由负电性相差较大的两个元 素结合而成，它们之间的作用力是正负离子的静电 库仑作用，具有可加性，因而结合能很大，大约 150kcal/mol；共价结合靠两个原子各奉献相同的电 子，形成共用电子对，由于电荷量加倍，因此自旋 相反配对两个原子核的吸引力加强，这种结合所释 放的结合能也很多(大约150kcal/mol)共价结合具有 方向性和饱和性，因而不具有可加性。金属结合是 靠共有 材料学院9 化电子与离子实之间的库仑相互作用结合起
材料学院14
外表活性剂分子的自组装
材料学院15
外表活性剂的结构
❖外表活性剂：头部至少有一个亲水性基团，尾部有 一个疏水性基团，低浓度下，可吸附在外表或界面 上来降低外表能
图5-18 外表活性剂分子的结构示意图
材料学院16
外表活性剂分子的分类
水溶性外表活性剂
按溶解性 油溶性外表活性剂
按在水中是否 离子型外表活性剂
材料学院24
图5-21 微乳液法自组装BaMoO4纳米带的TEM照片
利用范德华力自组装
材料学院25
❖利用范德华力将一种或两种不同材料、不同粒 度的纳米微粒组装在一起，可分别形成一元或 二元晶体〔BNSL〕结构
❖自组装过程的推动力是纳米粒子堆积密度的 最大化，这与范德华力结合的本质是一致的
纳米材料简介及其应用ppt课件
ppt课件
6
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
(2) 纳米科技将引发一场新的工业革命
• 纳米技术是80年代初迅 速发展起来的前沿学科， 它使人们认识、改造微观 世界的水平提高到了一个 新的高度。纳米技术将用 于下一代的微电子器件即 纳米电子器件，使未来的 电脑、电视机、卫星、机 器人等的体积变得越来越 小.
其次，由于纳米科技是对人 类认知领域新疆域的开拓，人 类将面临对新理论和新发现重 新学习和理解的任务。
ppt课件
5
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
再次，从人类未来发展的角度看，可持续发展将是人 类社会进步的唯一选择。纳米科技推动产品的微型化、高 性能化和与环境友好化，这将极大节约资源和能源，减少 人类对其过分依赖，并促进生态环境的改善。这将在新的 层次上为可持续发展的理论变为现实提供物质和技术保证。
ppt课件
12
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
纳米电子器件中最有应用前景的是量子元器件。这 种利用量子效应制作的器件不仅体积小，还具有高速、 低耗和电路简化的特点。纳米电子学中另一个有趣的研 究热点是所谓的单电子器件,在单电子器件中，利用库仑 阻塞效应，甚至能够对电子一个一个的加以控制，这有 可能开发出单电子的数字电路或存储器。开发单电子晶 体管, 只要控制一个电子的行动即可完成特定功能,使功耗 降低到原来的1000—10000分之一。
第五章 有序纳米结构及其应用
材料学院6
第五章 有序纳米结构及其应用
极紫外光刻（ EUVL ）
X射线光刻（XRL）
电子束刻蚀（EBL） 纳米刻蚀技术
离子束刻蚀（IBL）
纳米压印技术（NIL）
纳米掩膜刻蚀技术 基于扫描探针显微 镜的纳米刻蚀技术 蘸笔纳米印刷术
其它纳米刻蚀技术
材料学院7
第五章 有序纳米结构及其应用
极紫外光刻（EUVL）和X射线光刻（XRL）
图5-7 XRL光刻实例
材料学院16
第五章 有序纳米结构及其应用
电子束刻蚀（EBL）和离子束刻蚀（IBL）
材料学院17
第五章 有序纳米结构及其应用
在光学光刻技术中，由于极紫外线很容易被各种 材料所吸收，继续缩短波长很难找到制作光学系 统和掩模板的材料，这使得光学光刻在技术上遇 到了难以跨越的困难 而带电粒子束（电子和离子）刻蚀，则具有无须 掩模板、波长更短以及用电磁透镜聚焦的优点 这使得人们将目标从光学光刻转到了电子束或粒 子束刻蚀上
图5-10 热压印技术的工艺流程
热压印过程须在<1Pa的真空下进行，以避免由于 空气气泡的存在造成压印图案畸变 热压印印章选用SiC材料制造，是因为SiC材料硬 度大、化学稳定性好
材料学院26
第五章 有序纳米结构及其应用
热压印技术（HEL）实例
图5-11 热压印技术实例
图中左图为硅印章，中图为在硅圆片上的纳 米图案，右图为线宽为200nm的条线图案
材料学院3
第五章 有序纳米结构及其应用
主要内容
1
纳米刻蚀技术
2
自组装技术
3
自下而上和自上而下相结合制备 有序纳米结构
4
有序纳米结构的应用
材料学院4
第五章 有序纳米结构及其应用
极紫外光刻（ EUVL ）
X射线光刻（XRL）
电子束刻蚀（EBL） 纳米刻蚀技术
离子束刻蚀（IBL）
纳米压印技术（NIL）
纳米掩膜刻蚀技术 基于扫描探针显微 镜的纳米刻蚀技术 蘸笔纳米印刷术
其它纳米刻蚀技术
材料学院7
第五章 有序纳米结构及其应用
极紫外光刻（EUVL）和X射线光刻（XRL）
图5-7 XRL光刻实例
材料学院16
第五章 有序纳米结构及其应用
电子束刻蚀（EBL）和离子束刻蚀（IBL）
材料学院17
第五章 有序纳米结构及其应用
在光学光刻技术中，由于极紫外线很容易被各种 材料所吸收，继续缩短波长很难找到制作光学系 统和掩模板的材料，这使得光学光刻在技术上遇 到了难以跨越的困难 而带电粒子束（电子和离子）刻蚀，则具有无须 掩模板、波长更短以及用电磁透镜聚焦的优点 这使得人们将目标从光学光刻转到了电子束或粒 子束刻蚀上
图5-10 热压印技术的工艺流程
热压印过程须在<1Pa的真空下进行，以避免由于 空气气泡的存在造成压印图案畸变 热压印印章选用SiC材料制造，是因为SiC材料硬 度大、化学稳定性好
材料学院26
第五章 有序纳米结构及其应用
热压印技术（HEL）实例
图5-11 热压印技术实例
图中左图为硅印章，中图为在硅圆片上的纳 米图案，右图为线宽为200nm的条线图案
材料学院3
第五章 有序纳米结构及其应用
主要内容
1
纳米刻蚀技术
2
自组装技术
3
自下而上和自上而下相结合制备 有序纳米结构
4
有序纳米结构的应用
材料学院4
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
图5-5是采用EUVL技术在硅片上刻蚀的线宽分别为200nm、 150nm和100nm的纳米线条图案。
• Ｘ射线光刻技术(XRL) Ｘ射线曝光过程与光学曝光过程类似，都是将掩模板上的图形 转移到硅表面的光刻胶上。由于到目前为止还无法对Ｘ射线 聚焦，采用的曝光系统基本都是无投射光学系统的近贴式和 1:1投影式(图5-6)。
Ｘ射线光刻技术(XRL)的特点 •波长短，可获得极高的分辨率； •焦深容易控制； •Ｘ射线可用高能电子束轰击不同的金属靶材料产生，也可用激 光等离子体方法或高能同步辐射加速器所产生的同步辐射获得
• Ｘ射线掩模板是由氮化硅或碳 化硅等轻元素材料做成； • 掩模的制作难度大，同时使用 过程中的受热变形问题是Ｘ射 线光刻技术需解决的难关。 图5-7展示了采用XRL技术在 硅片上刻蚀的线宽和线间距都 为75nm的纳米线条图案。
第五章 有序纳米结构及其应用
定义
有序纳米结构是指由零维纳米微粒、一维纳米材料构 筑的，在长程范围内具有一定排布规律，有序稳定 的纳米结构。
纳米尺度的加工技术有两类： •“ 自上而下” 方式(Top-down) 用光线或电子束等削除大片材料，从而 留下所需要的微细图形结构，主要用于 制造存储器和CPU等半导体器件，如 纳米刻蚀技术。 •“ 自下而上” 方式(Bottom-up) 用人工手段把原子或分子一层一层淀积 (在极端情况下可以把原子或分子一个 一个的淀积)来形成新的晶体结构(人工 晶格)，从而造出新的物质或者新的器 件，如自组装方法。
光刻技术主要包括图形复印和定域刻蚀两个方面。 •图形复印 经曝光系统将预制在掩模板上的器件或电路图形按所要求的位 置，精确传递到预涂在晶片表面或介质层上的光致抗蚀剂薄层 上。光通过光掩模板透射到光致抗蚀剂上，通过改变抗蚀剂的 化学性质和溶解性，在基片上印上一定图样的电路。 即用普通光学手 段将模板上的图 形透射到抗蚀剂 层(曝光工序) ， 经显影在曝光区 (对于正抗蚀剂) 或未曝光区(对 于负抗蚀剂)便 能留下干净的半 导体表面，流程 图见图5-2。
• 极紫外光刻技术(EUVL) 用波长范围为11~14nm的光，经过周期性多层膜反射镜，照射 到反射掩模上，反射出的 EUV光再经过投影系统，将掩模图形 形成在硅片的光刻胶上(图5-4)。
极紫外光刻技术(EUVL)的特点 •与传统光刻技术中的透射式光学系统不同，EUVL技术采用了 反射式光学系统； •工艺兼容性、技术规范和系统要求与传统光刻技术非常相似， 容易被现代的半导体工业接受和采用； •曝光波长短，很容易获得高的分辨率； •无需采用近邻效应校正技术和移相掩模技术，有利于降低光刻 成本。
• 纳米掩膜刻蚀技术 将具有纳米结构的材料有序排布成所需的阵列，通过转移技术 转移到基片表面；利用有序排布的纳米结构做掩膜，结合反应 离子刻蚀(RIE) 等工艺所需的纳米图形。形成纳米结构图形的 关键在于构建稳定的纳米阵列掩膜，并将其规则有序地转移到 基底表面。 纳米掩膜刻蚀技术工艺简单，成本 低，适合大规模生产，颇有发展前 景。但该技术还不够完善，其发展 方向为：精确控制结构纳米尺寸， 规则操控排布纳米掩膜，把微阵列 转移排布到特定的区域构建纳米结 构器件原型，在大的面积范围内规 则定义图形。
定域刻蚀 利用化学或物理方法，将抗蚀剂薄层未掩蔽的晶片表面或介 质层除去，从而在晶片表面或介质层上获得与抗蚀剂薄层图 形完全一致的图形。示意图见图5-3所示。
光刻技术成像质量的评价两个重要的指标：分辨率和焦深。 •分辨率 表示能分辨的最小线宽，能分辨的线宽越小，分辨率越高。光 学光刻的分辨率决定了芯片上单个器件的最小尺度。 •焦深 表示一定工艺条件下，能刻出最小线宽时像面偏离理想脚面的 范围。焦深越大，对图形的制作越有利。 R = k1 λ/ NA D = k2 λ / (NA)2 其中，R为分辨率，D为焦深，λ为曝光波长，NA为数值孔径， 由成像系统决定，k1和 k2是与系统有关的常数。减小波长、增 加数值孔径、减小 k1等方式都可以提高光刻曝光系统的分辨率， 其中减小波长是主要手段。 瑞利定律： 因此为了能制备更小尺寸的微结构，人们对光刻技术的光源作 了不断的改进，形成了包括极紫外光刻技术(EUVL)和Ｘ射线光 刻技术(XRL)等在内的后光学光刻或下一代光刻技术。
5.1.3 纳米压印技术(NIL)
将具有纳米图案的模版以机械力（高温、高压） 压在涂有高分 子材料的硅基板上，等比例压印复制纳米图案，进行加热或紫 外照射，实现图形转移。 • 加工分辨力只与模版图案的尺寸有关，而不受光学光刻的最 短曝光波长的物理限制，可以制作线宽在5nm以下的图案； • 低成本、高产出。 纳米压印技术主要包括热压印(HEL) 、紫外压印(UV-NIL) 以及 微接触印 5.2. 自组装技术 5.3. 自下而上和自上而下相结合制备有序纳米 结构 5.4 有序纳米结构的应用
5.1. 纳米刻蚀技术 5.2. 自组装技术 5.3. 自下而上和自上而下相结合制备有序纳米 结构 5.4 有序纳米结构的应用
5.1.1 极紫外光刻(EUVL)和X射线光刻(XRL) 5.1.2 电子束刻蚀(EBL)和离子束刻蚀(IBL) 5.1.3 纳米压印技术(NIL) 5.1.4 其他几种纳米刻蚀技术
• 离子束刻蚀(IBL)的特点 由于离子是从一个在外电场作用下形成的极小的液体尖端发 射的，其发射面积仅为几个纳米，因而可以较容易地利用离 子光学系统将发射的离子聚焦成微细离子束，进行高分辨率 离子束曝光； 由于离子质量重，在同样的能量下，感光胶对离子的灵敏度 要比对电子高数百倍； 液态金属离子源发射的离子具有较大的能量分散，而聚焦离 子束系统所采用的静电透镜有较大的色差系数，由于色差的 影响，无法将离子束聚焦成电子束一样细，因而其分辨率比 电子束曝光低； 由于离子质量重，在感光胶中的曝光深度有限，大大限制了 离子束曝光的应用范围。
• 电子束刻蚀(EBL)的特点 电子束的辐射波长则可以通过增大能量来大大缩短，因此电子 束曝光的分辨力远远超过光学光刻分辨力; 电子束曝光利用电磁场将电子束聚焦成微细束，辐照在电子抗 蚀剂上，避开了光学透镜材料的限制； 电子束可方便地由电磁场偏转扫描，复杂的电路可直接写在硅 片上而无须使用掩模板，具有灵活性，可直接制作各种图形。 由于电子束是把电路图形一个像素一个像素地扫描曝光到硅片 上，速度慢，无法适应大工业批量生产的需要； 由于电子质量极轻，在感光胶中的散射范围很大，这些散射电 子会影响邻近电路图形的曝光质量，邻近效应很难控制。 图5-9展示了采用 EBL技 术在硅片上刻蚀的线宽 分别为100nm和12nm的 纳米线条，以及规则的 六角图案。
• 微接触印刷(CP) 用弹性模板结合自组装单分子 层技术在基片上印刷图形的技 术。是一种形成高质量微结构 的低成本方法，可以直接应用 于制作大面积的简单图案，适 用于微米至纳米级图形的制作， 最小分辨率可达 35nm。
图5-13所示为 Co纳米粒子微接 触印刷过程示意图。
纳米压印技术除操作简单外，还可以采用层层压印的方式获得 三维有序纳米结构，图5-14展示了这种层层压印方式的示意图，以 及一个三层压印技术获得的立体纳米线条图案。
• 热压印(HEL) 在高温条件下将印章上的结构按需复制到大的表面上，被广泛 用于微纳结构加工。
• 整个热压印过程必须在气压小于1Pa的真空环境下进行，以 避免由于空气气泡的存在造成压印图案畸变； • 热压印印章选用SiC材料制造，这是由于SiC非常坚硬，减 小了压印过程中断裂或变形的可能性，且其化学性质稳定， 与大多数化学药品不起反应，便于压印结束后用不同的化学 药品对印章进行清洗。 • 在制作印章的过程中，先在SiC表面镀上一层具有高选择比 (38:1)的铬薄膜，作为后序工艺反应离子刻蚀的刻蚀掩模， 随后在铬薄膜上均匀涂覆ZEP抗蚀剂，再用电子束光刻在 ZEP抗蚀剂上光刻出纳米图案。为了打破SiC的化学键，必 须在SiC上加高电压(350V)，再用反应离子刻蚀在SiC表面 得到具有光滑的刻蚀表面和垂直面型的纳米图案。
热压印的主要工艺过程如图5-10所示.
整个热压印过程可以分为三步： 1. 聚合物被加热到它的玻璃化温度 以上； 2. 在印章上施加机械压力 ； 3. 压印过程结束，整个叠层被冷却 到聚合物玻璃化温度以下，以使 图案固化，提供足够的机械强度， 便于脱模。然后用反应离子刻蚀 将残余的聚合物去掉，模板上的 纳米图案完整地转移到硅基底表 面的聚合物上，再结合刻蚀技术 把图形转移到硅基底上。 图5-11展示了热 压印技术所用的 硅印章以及在硅 圆片上复制的纳 米图案，还有线 宽200nm的线条 图案。
5.1.2 电子束刻蚀(EBL)和离子束刻蚀(IBL)
在光学光刻技术中，由于深紫外 线能被各种材料强烈吸收，继续 缩短波长将难以找到制作光学系 统和掩模板的材料，这使得光学 光刻在技术上遇到其难以跨越的 困难。为此，人们将目标从光学 光刻技术转到了无须使用掩模板、 波长更短、可以用电磁透镜聚焦 的高能带电粒子束(电子和离子) 刻蚀，示意图见图5-8。 • 电子束刻蚀(EBL) 是以电子束作为集成电路的刻蚀手段
• 纳米压印的特点 • 高分辨率，因为它没有光学曝光中的衍射现象和电子束曝光 中的散射现象。 • 高产量，因为它可以像光学曝光那样并行处理，同时制作成 百上千个器件。 • 低成本，因为它不像光学曝光机那样需要复杂的光学系统或 像电子束曝光机那样需要复杂的电磁聚焦系统。
5.1.4 其他几种纳米刻蚀技术 1. 纳米掩膜刻蚀技术 2. 基于扫描探针显微镜(SPM)的纳米刻蚀技术 3. 蘸笔纳米印刷术(DPN)
5.1.1 极紫外光刻(EUVL)和X射线光刻(XRL)
Extreme Ultravoilet Lithography, EUVL; X-Ray Lithography, XRL 传统半导体加工中的光刻工艺 •光刻 利用光致抗蚀剂的光敏性和抗蚀性，配合光掩模板对光透射的 选择性，使用光学和化学的方法完成特定区域刻蚀的过程。 •光致抗蚀剂 简称光刻胶或抗蚀剂，是一种光照后能改变抗蚀能力的高分子 化合物，包括正抗蚀剂和负抗蚀剂两种。 正抗蚀剂--紫外光照后，曝光区域在显影液中变得可溶； 负抗蚀剂--紫外光照后，曝光区域在显影液中变得不可溶。 •光掩模板 俗称光掩模或光刻板，是指在光照时覆盖于光刻胶膜上，除特 定区域外均对光有掩蔽作用的图样，也就是晶体管制作所需图 样的模板。