纳米加工技术PPT

扫描隧道显微镜
❖ 扫描隧道显微镜 scanning tunneling microscope 缩写为STM。它作为一种扫描 探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科 学家观察和定位单个原子，它具有比它的同 类原子力显微镜更加高的分辨率。此外，扫 描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针 尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是 重要的测量工具又是加工工具。
纳米加工技术
作者：周堃 著名的诺贝尔奖获得者Feyneman在60年代就预言：
如果对物体微小规模上的排列加以某种 控制的话，物体就能得到大量的异乎寻
常的特性。 ——这就是如今的纳米材料
纳米
❖ 纳米（符号为nm）是长度单位，原称毫微米， 就是10^-9米（10亿分之一米），即10^-6毫 米（100万分之一毫米）。如同厘米、分米 和米一样，是长度的度量单位。相当于4倍原 子大小，比单个细菌的长度还要小。
纳米加工分类
❖ 包括切削加工（精密切削等）、化学腐蚀(电 化学等）、能量束加工（电子束、离子束 等）、复合加工、扫描隧道显微技术加工等 多种方法
纳米加工关键技术
❖ 检测技术（包括检测纳米级表层物理力学性 能、纳米级精度的尺寸和位移的测量、纳米 级表面形貌的测量 ） ；环境条件控制；机床 及工具。
纳米技术的发展简史
❖ 1959年，诺贝尔奖获得者、量子物理学家理查德.费曼（Richard Feynman）提出可以从 单个分子甚至单个原子开始组装制造物品，这是关于纳米科技的最早的梦想和预言。
❖ 1974年，日本学者谷口纪男（Taniguchi Norio）教授在CIRP上首次提出“Nanotechnology”概念，并预测2000年加工精度将达到1nm。
奇 妙 的 微 电 子 技 术
——
化 学 中 的 纳纳 米米 锌 变 形
纳米银粉形貌
STM拍摄的图片
具体应用
❖ 扫描 ❖ STM工作时，探针将充分接近样品产生
一高度空间限制的电子束，因此在成像工作 时，STM具有极高的空间分辩率，可以进行 科学观测[7]。
❖ 探伤及修补
❖ STM在对表面进行加工处理的过程中可 实时对表面形貌进行成像，用来发现表面各 种结构上的缺陷和损伤，并用表面淀积和刻 蚀等方法建立或切断连线，以消除缺陷，达 到修补的目的，然后还可用STM进行成像以 检查修补结果的好坏[7]。
利用纳米技术将氙原子排成IBM
纳米加工机理
❖ 纳米级加工的含意是达到纳米级精度的加工技术。 ❖ 由于原于间的距离为0.1一0.3nm，纳米加工的
实质就是要切断原子间的结合，实现原子或分子的 去除，切断原子间结合所需要的能量，必然要求超 过该物质的原子间结合能。用传统的切削、磨削加 工方法进行纳米级加工就相当困难了。近年来纳米 加工有了很大的突破，如电子束光刻(UGA技术)加 工超大规模集成电路时，可实现0.1μm线宽的加工： 离子刻蚀可实现微米级和纳米级表层材料的去除： 扫描隧道显徽技术可实现单个原子的去除、扭迁、 增添和原子的重组。
❖ 1999年开始，纳米技术产业逐步走向全面商业化，2000年纳米产品的营业额达到500 亿美元。
❖ 我国纳米科技成果概况： ❖ 1993年，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子
成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领 域占有一席之地，并居于国际科技前沿。 ❖ 1993年，中科院在北京举办了第7届国际STM（扫描隧道显 微镜）会议。 ❖ 1998年，清华大学范守善小组成功地制备出直径为3～ 50nm、长度达微米量级的氮化镓半导体一维纳米棒，是我 国在国际上首次把氮化镓制备成一维纳米晶粒。 ❖ 1999年，中科院物理研究所解思深研究员率领的科研小 组，不仅合成了世界上最长的“超级纤维”碳纳米管，创造 了一项“3毫米的世界之最”，而且合成出世界上最细的碳 纳米管。 ❖ 2000年，中科院物理所真空物理开放实验室高鸿钧领导 的科研小组，将超高密度存储材料的信息存储点下降到 0.6nm，点与点之间的距离降到0.5nm，将现有光盘的存储 能力提高100万倍
❖ 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，强度却是钢的10倍， 成为纳米技术研究的热点，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤 维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。
❖ 1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制 成功速度和存储容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。
工作原理
❖ 扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。就如 同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要 被分析的材料（针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组 成）。一个小小的电荷被放置在探针上，一股电流 从探针流出，通过整个材料，到底层表面。当探针 通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不同， 这些变化被记录下来。电流在流过一个原子的时候 有涨有落，如此便极其细致地探出它的轮廓。在许 多的流后，通过绘出电流量的波动，人们可以得 到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片。
纳米技术
❖ 纳米技术（nanotechnology）是用单个原 子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技 术是以许多现代先进科学技术为基础的科学 技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、 介观物理、分子生物学）和现代技术（计算 机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核 分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将 引发一系列新的科学技术，例如纳电子学、 纳米材科学、纳机械学等。
❖ 1981年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，为我们揭示了一个可见 的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。
❖ 1984年，德国学者格莱特（Gleiter），把粒径6nm的金属粉末压成纳米块，并且详细研 究它的内部结构，指出了它的界面奇异结构和特异功能。
❖ 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩与第五届国家扫描隧道显微镜 学术会议同时举办，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世。标志着 纳米科学技术的正式诞生。