第十九章纳米表面工程ppt

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？[001]
Anode: Phosphor coated ITO glass
200 m space Cathode: Al with a thickness of 0.15 m and a line-width of 390 m. 13 m Gate: Al with a thickness of 0.15 m and a line-width of 400 m.
通过机械研磨、机械合金、高能球磨等方法直接将微米粉或 非晶金属箔加工成NF。具体为：在干燥的高真空料机内通入保护 气体（Ar, N2）；或在CH3OH和液氮介质中通过对磨球/粉体比、 磨球数量和尺寸、球磨能量、球磨温度、介质等参数的控制，对粉 末粒子反复进行熔结、断裂过程，使晶粒不断细化，达到纳米尺寸。 除去CH3OH和液氮介质后，0D-n会因自身的静电引力自行团聚成 微米级的纳米结构喂料。
（2）表面纳米化的微观机制及形成动力学。 （3）纳米结构表层的组织与性能的关系。 （4）纳米结构表层的热稳定性与化学性能。
光刻 技术
光致抗蚀剂 光刻SiO2膜
衬底硅
涂光致抗蚀剂
紫外光(193nm) 掩模版
衬底硅
曝光
衬底硅
显影
SiO2 衬底硅
去胶
衬底硅
腐蚀
光刻技术——IC产业的关键技术
当前的光刻技术，采用193nm曝光波长，可实现大于 100nm线宽的图形。
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YSZ yttrium-stabilized ZrO2
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HREM image of ZnO/YSZ interface along [1 -1 0] YSZ (a) and [0 0 1]YSZ (b). Moiré fringes are visible at the boundary between ZnO grains. Stacking faults are indicated with arrows. Doubling in YSZ lattice is shown with white arrowheads. A and B areas show normal and oxygen deficient ZnO, respectively. An intermediate layer is visible at the interface.
Schematic diagram of a new triode structure of FED with carbon nanotube emitters. Diamond and Related Materials 10 (2001) 1705.
LB膜（Langmuir-Blodgett）
薄膜技术 其它
一、 纳米表面工程产生的背景
随着纳米科技的发展，微机电系统的设计、制造日 益增多，制造技术以由亚微米层次进入到原子、分子级 的纳米层次。纳米机器人、纳米钳、纳米电机、……， 此类机电系统涉及到大量的表面科学表面技术问题，且 随着尺寸减小和表面效应的出现，传统的的表面设计和 加工方法以不再适应。
我国SPM系统在Au-Pd合金膜 表面上机械刻画出的最小线宽为 25nm。
用AFM机械刻蚀原理刻 写的亚微米尺寸的唐诗
0 2 4 6 8 10m
STM 技术在Si(111)面上形
成的“中国”字样。
最邻近硅原子间的距离为 0.4nm。
A field-assisted local anodization technique using an atomic force microscope (AFM), a single-hole transistor has been fabricated on an undoped hydrogen-terminated diamond surface where p-type conduction occurs on the subsurface region.
2-2、利用电化学反应将金属离子直接还原成0D-n或 1D-n。
UHV STM image of three C60 molecules chemisorbed at missing dimer defects on a Si(100)-2x1 surface. 10nm scan.
表面自身纳米化——对于多晶材料采用非平衡的处理 方法增加材料的表面自由能，是粗晶组织逐渐细化至纳米 量级。
2)非平衡热力学法
将材料快速加热使其表面熔化或相变温度，再急剧冷却，通 过动力学控制来提高形核率，抑制晶粒长大速率，从而在材料的表 面获得纳米晶组织。
激光加热、电子束加热。
目前表面纳米化的研究还处在起步阶段，要实现其工业用， 需解决以下问题：
（1）加工工艺、参数及材料的组织、结构和性能对纳米化的 影响。
将气液界面上的单分子层的膜通过物理机械过程转移到固体基片上。
SA膜（self-assembled mono- or multi-layer）
通过固液界面具有反应活性的不同头尾基的化学吸附或化学反应，在基片 上形成化学键连接、紧密排列的有序单层或多层膜。 “分子筛”: 空隙只允许一定尺寸的分子通过。用作化学传感器，其灵敏度比 普通材料高500倍。 纳米智能薄膜: 空隙可随条件的变化或根据靠近的分子特征而开闭。
纳米结构喂料 ( Nanostrucyured Feedstock, NF )
液相分散喷雾合成法，原位生成喷雾合成法，机械研磨合成法。
超音速分散
+
热空气吹干
按液相合成法在液相中先生成纳米粒子，通过过滤、渗透、 反渗透及超离心等手段除出纳米粒子以外的组分，再加入液相介 质何其它组分，用液相喷雾分散法获得NF。
纳米固体薄膜制备技术
溶胶-凝胶法 电镀法
物理气相沉积 （PVD）
气相沉积
分子束外延 （MBE）
化学气相沉积 （CVD）
真空 蒸发
溅射 沉积
离子镀 热壁 冷壁
电阻加热 感应加热 电子束加热 激光加热
直流溅射 射频溅射 磁控溅射 离子束溅射
直流二极型离子镀 射频放电离子镀 等离子体离子镀
HFCVD
DC
纳米量级厚度的薄膜: 2D-n 表面含有纳米颗粒与原子团族: 2D + 0D-n 表面含有纳米碳管: 2D + 1D-n 复合纳米表面: (2D + 0D-n)n, 2D-n + 1D-n, …
纳米表面工程是通过特定的加工技术赋予材料以纳 米表面、使表面纳米结构化，从而使材料的表面得以强 化、改性或赋予表面新功能的系统工程。产生机敏表面、 纳米智能表面和表面纳米器件。 （潜艇蒙皮、坦克外壳）
3
7.燃烧气体,
8.熔融材料
2
9.喷涂束流.
2-1、在电沉积液中0D-n或1D-n，达到组装NC的目的。
45钢镀：Ni-P + C纳米管，改善摩擦学性能； 磁盘基扳：Ti-P + DNP (diamond nanopowder)，减少磨损50%； 磁头、存取器磁膜：Co-P + DNP，耐磨能力提高2-3倍； 模具：Cr + DNP，延长使用寿命； 此外，(n-ZrO2 + Ni-W-B非晶态复合镀层)能提高涂层的高温抗氧 化性能； (DNP + Ag)能增强镀层的导热、耐磨性；
高速氧-燃气喷涂（HVOF）
3
4
5
6
3
2
4
5
1
O2 (H2, C3H6, C3H8)
Jet-Kote 喷枪结构
1-燃烧室，2-粉末入口，3-燃气通道， 4-送粉通道，5-冷却水道，6-喷嘴。
火焰喷射枪剖面图
7
6
8
5
9
1
1.空气通道
2.燃料气体,
3.氧气,
4.线材或棒材,
5.空气罩, 4 6.气体喷嘴,
Power dissipation and integration issues are of paramountimportance for designing future ultralarge scaleintegrated circuits. Single-electron devices exploiting the Coulomb blockade effect are thought to have the potential to overcome these difficulties because a singleelectron transistor operates with one electron, which can reduce the power consumption and can be applied to highly integrated devices. Measurement of the Coulomb blockade effect has been made possible by continuing advances in the field of nanometer fabrication technology such as local anodization using an atomic force microscope (AFM).
MD膜（molBaidu Nhomakorabeacular deposition film）
利用阴阳离子间的静电相互作用力，通过相反离子体系的交替分子沉积制备而 成的层状有序超薄膜。
1）热喷涂法制备纳米结构涂层 （Nano-structure Coating, NC）
2）电沉积法直接制备NC
3）超声波法组装NC
纳米粒子（0D-n）：质量太小，不能直接喷涂； 喷涂过程中被烧结。
PECVD
RF
MW
LECVD
ECR
功能薄膜材料研究室
DLC coated a magnetic thin-film disk
The surface of stretched (12%) video tape without DLC-layer.
Liquid lubricant 1-2 nm
DLC 10-30 nm Magnetic coating 25-75 nm
特征：晶粒沿厚度方向逐渐变化，纳米结构表层与 基体之间不存在界面。
主要方法：1）表面机械加工处理法和2）非平衡热力 学法。
1)表面机械加工处理法
sample
在外加载荷的重复作用下，材料表面的粗晶组织通过不同的 方式产生强烈的塑性变形而逐渐细化至纳米级。其过程包括：
（1）表面产生大量缺陷，如位错、孪晶、层错、剪切带。 （2）当位错密度增至一定程度时，发生淹没、重组，形成纳 米尺度的亚晶。 （3）随着温度升高，表面具有高储能的组织发生再结晶，形 成纳米晶粒。 （4）此过程不断发展，最终形成晶体学取向呈随机分布的纳 米晶组织。
纳米表面工程的 基本问题及其进展
Fundament and Progress of Nano-surface Technology
主要内容
表面工程是将材料的表面与基体一起作为一 个系统进行设计，利用各种表面技术，使材料的 表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系 统工程。
表面改性技术 涂、镀层技术
Al-Mg/10 m NiP or Glass-ceramic 0.78-1.3 mm
The surface of stretched (12%) video tape with DLC-layer with a thickness of 30 nm.
叠层膜是广义上的金属超晶格，表现出不同于 各组元也不同于均匀混合态薄膜的异常力学、电、 光、磁等性能。在表面强化、功能化及超精度加工 等领域具有极大的潜力。
要求材料在特殊情况，如超高温/低温、超高压、高 真空、强氧化还原或腐蚀环境以及存在辐射、声吸收、 信号屏蔽、承受点载荷等条件下服役的情况越来越多， 由于纳米材料在力、电、声、光、热、磁方面表现出与 宏观材料不同的特性。因此传统材料表面纳米化显得特 别重要。
二、 纳米表面工程的内涵和特点
什么是“纳米表面”
下一代光刻技术，*157nm曝光，小于50nm线宽图形。 再下一代光刻技术，**126nm曝光。
* 德国的Carl Zeiss公司 美国的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室、SVGL公司 日本的尼康公司 荷兰的ASML公司
** 德国的Carl Zeiss公司 美国的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室
纳米量级结构的制作是纳米技 术的关键技术之一。
与传统的表面工程相比，其特点是：取决于基体性 能的因素被弱化，表面处理、改性和功能化的自由度扩 大，表面加工技术的作用更加突出，产品的附加值更高。
三、 纳米表面工程的最新进展
1. 纳米单层膜 2. 纳米多层叠膜 3. 有序分子膜
InGaAs-InAlAs多层膜有准三维向准二维转变中的线性吸收谱 图。图中曲线上所标数字为InGaAs膜的厚度。
Cu/Ni, Cu/Pd, Cu/Al, Ni/Mo, TiN/VN, TiC/W, TiN/AlN, ZnO/YSZ/ZnO/YSZ/ZnO, ….
The solid-phase intergrowth (SPI) process
YSZ (yttrium-stabilized ZrO2) bicrystal ZnO/YSZ/ZnO/YSZ/ZnO internal films.−V. Roddatis, Journal of Crystal Growth 220 (2000) 515-521.