第五章 有序纳米结构及其应用
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。
纳米结构化材料的性能与应用
纳米结构化材料的性能与应用随着科学技术的不断发展，人们对材料的要求也越来越高，尤其是对于一些特殊的应用场景，如高温高压，强度要求等等，传统的材料已经难以满足需求，而纳米材料由于其特有的结构和性质，在这些应用场景中有着不可替代的作用。
在本文中，我们将深入探讨纳米结构化材料的性能和应用。
一、纳米材料的概念与分类所谓纳米材料，就是指材料在尺寸上达到了纳米级别的物质，通常是指其尺寸在1~100纳米之间，也就是说，该材料的某一个维度的尺寸已经趋近于分子和原子的尺寸。
纳米材料按其组成元素可以分为金属、半导体、高分子和碳纳米管等几种。
其中，纳米金属材料的应用最为广泛，如纳米银粉可以制备成电子、光学、抗菌等类别的纳米材料制品。
二、纳米结构化材料的性能由于纳米材料的尺寸非常小，它们的电、热、磁、光等性能与传统的材料有着明显的不同。
下面我们将以纳米金属材料为例，分别介绍纳米结构化材料的电学、热学、磁学和光学性质。
（一）电学性质：由于纳米材料具有巨大的比表面积、高离子扩散、增强的光致发光性能、电荷传递效率、光生电子效应，因此可以用来制造高灵敏电子器件，如烟雾探测、生物/化学传感器等。
（二）热学性质：相比常规材料，纳米和微米材料具有较高的比表面积和更低的热惯量，导致其相应地表现出不同的热学特性，例如较高的热传导率。
纳米结构化热电材料是这个领域中的一个潜在应用，这种材料在发电设备、燃料电池和节能技术中使用。
（三）磁学性质：纳米结构化材料的磁学表现也十分重要。
粒子之间的相互作用的独特性质使得其在数据存储、磁性调控、磁性材料、医学等领域展现出优异的应用前景。
（四）光学性质：纳米材料表现出的光学性质也是十分独特的。
从表面增强拉曼散射到非线性光学，这些材料都拥有广泛的优异性能。
通过在材料表面捕获或缩减光信号，还可以制造出更快速和更紧凑的光电装置。
三、纳米结构化材料的应用近年来，随着纳米材料的开发和生产速度不断提高，其应用领域也越来越广泛。
纳米结构材料的研究进展与应用
纳米结构材料的研究进展与应用随着新材料科学的不断发展，纳米结构材料在材料科学领域中日渐成为焦点。
纳米结构材料是指一些具有纳米结构的材料，如纳米晶、纳米线、碳纳米管等。
这些材料具有很小的尺寸，从而表现出许多独特的物理、化学和生物学特性，使其在许多领域中都得到了广泛的应用。
本文将简要介绍纳米结构材料的研究进展和应用。
一、研究进展纳米结构材料的研究起源于20世纪80年代初，当时科学家发现了一种称为“簇”（cluster）的新型物质，这种物质由几个原子组成，具有许多纳米尺寸的特性。
随后，人们又发现了纳米水晶，碳纳米管等纳米材料。
在纳米结构材料的制备上，目前主要的方法有：化学路线、物理路线以及生物合成路线。
化学路线包括溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热法等；物理路线则包括溅射、化学气相沉积等，生物合成路线则利用微生物等生物中介的方法，形成纳米结构材料。
二、应用领域(1) 纳米电子学纳米晶是纳米结构材料中比较重要的一种，它具有优异的光学、电学、化学性质，可用于制备高效的光电器件和电子器件。
纳米晶的应用已经渗透到了诸如振荡器、滤波器、硅绝缘体、发光器、激光场效应管和QDC（单量子点器件）等超小型电子器件和传感器中。
(2) 纳米生物学纳米结构材料在生物领域中的应用也越来越广泛。
生物保健材料、生物医学材料等，如纳米水凝胶材料、金属纳米材料、二氧化钛纳米粒子等已经被开发出来。
其中最有前途的是利用具有特殊物理化学标记的纳米材料来对生物标本等进行标记检测，从而实现对生物体内分子的瞬间捕捉。
(3) 纳米材料在能源领域的应用纳米材料在能源领域中有着广泛的应用，如太阳能电池、燃料电池等。
在太阳能电池方面，利用纳米晶制成的太阳能电池比传统晶体硅等晶体太阳能电池要轻、薄、短，具有更高的太阳能转换效率。
在燃料电池方面，纳米材料具有电子传导速度快、反应速率高、化学稳定性高等优点，使其有望得到更广泛的应用。
(4) 纳米材料在环保领域的应用纳米材料在环保领域的应用也非常广泛。
金属表面纳米结构有序排列的制备及其应用研究
金属表面纳米结构有序排列的制备及其应用研究随着科学技术的不断发展，材料科学领域中新兴技术越来越多。
其中，金属表面纳米结构有序排列的制备技术在材料领域中占有重要地位。
这项技术能够将原本无序的金属表面形态转化为有序的纳米结构，有效提高该材料的特性和性能。
本文将围绕这一主题展开，介绍金属表面纳米结构有序排列的制备及其应用研究。
一、制备方法1.化学法化学法是制备金属表面纳米结构有序排列的常用方法之一。
该方法通常涉及到金属离子的还原、表面修饰等技术手段。
其中，化学还原法是较为常见的方法，该方法通过还原剂来还原金属离子，从而使其析出成纳米颗粒状。
在该过程中，可以通过控制还原剂浓度、反应时间等因素来实现对纳米结构的有序排列。
2.溶剂剥离法溶剂剥离法是一种广泛应用于金属表面纳米结构制备的方法。
该方法适用于金属薄膜的制备，通过溶剂将金属薄膜从衬底上剥离下来，形成纳米颗粒状。
在这个过程中，不同的有机溶剂会对金属表面产生不同的化学反应，进而影响其纳米结构。
3.物理气相沉积法物理气相沉积法是通过将金属原子蒸发到气相中，并通过高速运动的气体流将其沉积到衬底上，从而实现金属表面纳米结构制备的方法。
相对于化学法、溶剂剥离法，该方法具有准确控制粒子大小、形态等特点。
可通过改变沉积条件，如沉积温度、沉积时间、气体流速等来控制纳米结构的有序排列。
二、应用研究金属表面纳米结构有序排列技术广泛应用于材料领域中，具有很高的研究价值。
在下面的内容中，将介绍该技术在三个主要应用方面的研究进展。
1.传感器传感器是一种常见的用于检测和量测物理量的设备。
在金属表面纳米结构有序排列技术的帮助下，传感器的灵敏度和精度得到了进一步提高。
比如，金属表面纳米结构的制备能够增加其表面积，从而增强表面等离子共振的信号，使传感器的灵敏度得到提高。
2.光学金属表面纳米结构有序排列技术在光学领域中应用广泛，例如，该技术可以用于制备与波长相近的光子晶体、光密集阵列等。
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。
二苯丙氨酸二肽有序纳米结构的组装及应用
二苯丙氨酸二肽有序纳米结构的组装及应用
近年来，二苯丙氨酸二肽有序纳米结构的组装和应用日渐受到人们的关注。
二
苯丙氨酸二肽有序纳米结构是由多个不同尺寸的化学物质组成，特别适合用于自组装结构的分子设计。
二苯丙氨酸二肽有序纳米结构相对于传统的复杂的研究和制造它的方式，提供
了一种可靠的方法来实现平衡，有效，准确的组装工作。
二苯丙氨酸二肽有序纳米结构包括水合物形成，块状组件，祖先连接，表面增强等等，其能够有效地控制精确的结构，可以用于非常复杂的抗菌，催化，降解，降解，催化等应用的研究。
基于二苯丙氨酸二肽有序纳米结构的应用可以更深入地探索，进而在药物合成，医疗材料，环境污染修复方面发挥重要作用。
二苯丙氨酸二肽有序纳米结构组装的技术也开辟了未来研究发展的方向，使得人们能够更好地理解其应用，从而提高治疗效率和社会福利。
因此，二苯丙氨酸二肽有序纳米结构的组装和应用在已有研究中被证明是一种
实用的结构，可以为医疗材料的发展及其他应用提供一种有效的研究途径。
未来，它将继续在多个领域发挥重要作用，提供有效的解决方案，促进科学发展，改善人类社会的健康水平。
纳米材料学简明教程(汪信)第五章 纳米材料超分子化学
膜转移到其他基片上。
•
ngmuir
•
谈到单分子薄膜，
首先当属LB膜(Langmuir
分子的分子量可高达数千，但它又不同于普通的大分子，这种配
合物分子不仅自身的整体尺寸在纳米尺度范围内，而且一般都具
有规则的几何构形。
4.3一些重要的超分子结构 4.3.1 无机化合物的自组装
• 4.3.1.3 配合物
•
右图总结和归纳了具
有三角形、矩形等多边形配合
物的设计模式，这些配合物组
装设计的基本构思是，充分利
4.2 自组装的概念
• 右图所示多环圆盘状纳米结构 的形成，这种ZrO2多环圆盘状纳米 结构自组装条件也是较为复杂的， 包括：氧化物种类的选择，ZrO2的 层结构比其他氧化物具有更好的韧 性，弯曲时不易断裂；前躯体及其 浓度、反应温度、反应器皿等的选 择，涉及热力学、动力学的控制； 表面活性剂及其浓度、反应体系pH 的选择，这不仅涉及热力学、动力 学的控制，还是自组装过程实现的 核心条件。在这里，使用的表面活 性剂为SDS，即十二烷基硫酸钠 （C12H25OSO3Na）或十二烷基 磺酸钠（C12H25SO3Na），组装 过程在强酸环境下进行。组装过程 中，SDS扮演着两种模板角色，首 先模板1为SDS的圆盘状胶束，它 决定了整个组装体结构中圆心的形 成，这也是自组装过程的第一步， 组装在水相中进行，圆盘状胶束的 亲水基团（—SO3—， 带负电荷） 位于胶束的外围。
4.纳米材料超分子化学
•
超分子化学作为近代
化学的重要分支，近二、三十
年来发展迅速，与此同时，超
分子化学与纳米材料研究相互
结合，相互促进，共同发展。
这里将侧重介绍纳米材料研究
中涉及的部分无机化合物、有
纳米阵列结构和材料的制备及其应用
纳米阵列结构和材料的制备及其应用纳米技术是一种科学技术，它在制备新材料、新结构，以及探索新领域方面卓有成效。
纳米阵列结构是纳米技术中的一项重要技术，其制备和应用已经广泛应用到生物医药、信息技术、环境污染控制、能源利用等多个领域。
本文将就纳米阵列结构和材料的制备及其应用做一简要介绍。
一、纳米阵列结构的制备纳米阵列结构材料是在纳米尺度下的一种有序的结构，其制备常采用化学气相沉积、电子束束刻、电子束和英寸刻、自组装等方法。
其中，自组装是目前研究纳米阵列结构材料的一个热点，因为其具有自我排列成阵列的特性，这些特性能够让我们制备出规律性、有序性和可控性的纳米结构和材料。
例如，我们可以通过自组装技术制备出具有规律性排列的金属纳米线、纳米颗粒、纳米管，以及有机分子等结构，而这些纳米结构和材料在电子、光学、磁学等领域有潜在的应用。
二、纳米阵列结构材料的应用1. 生物医药应用纳米阵列结构材料在生物医药领域有广泛的应用，例如可以制备纳米金颗粒进行癌症治疗和诊断。
纳米金颗粒作为基础材料，其表面经过改性可以将化学物质或蛋白质进行吸附，然后通过光谱或影像技术进行检测。
另外，通过将多种材料组成纳米复合体，可以制备一种有针对性、感应性和控制性释放的药物传输系统。
例如，通过在磁性纳米颗粒表面附加手性分子，可以制备出具有磁性和手性响应的纳米传输体。
这种传输体可以在磁场和手性响应下，实现目标分子的定向传输和可控释放。
2. 信息技术应用纳米阵列结构材料在信息技术领域的应用也十分广泛，例如可以将纳米结构材料制备成为高密度的存储介质。
通过将纳米阵列结构材料进行吸附、分子修饰等处理，可以在表面形成规则的高密度阵列结构。
这种纳米结构材料作为存储介质，具有高密度、高存储容量、低功耗等优点，极大地改善了传统存储介质的性能。
3. 环境污染控制应用纳米阵列结构材料在环境污染控制应用方面的应用也日益增多，例如可以通过制备纳米颗粒吸附有害物质，如重金属离子、有机污染物、细菌等。
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
纳米复合材料中有序结构的分析
纳米复合材料中有序结构的分析纳米复合材料是一种在纳米尺度下组合的复合材料。
这种材料将不同的材料混合在一起，从而创造出了新的材料性能，使纳米复合材料在各种应用领域中具有广泛的应用。
在纳米复合材料中，有序结构得到了广泛的关注。
有序结构是指由组分之间的定向排列、分子序列重复或链向排列而形成的一种结构。
在纳米材料中，有序结构能够提高材料的机械性能、热稳定性、电学特性等。
在分析纳米复合材料的有序结构时，一个重要的因素是所使用的技术。
传统的分析技术如X射线衍射、红外光谱等难以分析纳米尺度下的有序结构。
近年来，随着高分辨率电子显微镜技术的不断发展，已经能够获得原子级别的分辨率，可以用于对纳米复合材料中有序结构的分析。
在纳米复合材料中经常使用的有序结构包括纳米线、纳米孔和纳米斑点等。
这些结构的分布、尺寸和形状也会影响材料性能。
例如，在纳米线的构建中，可以选择不同的原始材料、生产条件和合成方法，以控制其结构和性能。
纳米线的尺寸和形状可以影响其电学性能和光学性能。
此外，由于纳米线的高比表面积，还可以应用于催化剂、传感器和电子器件等领域。
纳米孔也是构建纳米复合材料的一种方法。
纳米孔可以用于控制流体的传输、过滤、分离和反应等。
例如，通过改变孔的尺寸和形状，可以控制孔隙度、选择性和流量。
此外，将纳米孔与其他材料组合可以创造出新的复合材料性能。
在纳米复合材料中，纳米斑点也是一个常见的有序结构。
纳米斑点由纳米粒子组成，其分布、大小和形状可以通过控制实验条件而改变。
这种有序结构在生物医学、催化剂和光电子器件等领域中有广泛的应用。
总之，纳米复合材料中的有序结构对其性能具有很大的影响。
通过选择适合的合成方法、生产条件和原材料，可以控制这些结构，从而使纳米复合材料在不同应用领域中表现出更好的性能。
生物中的纳米结构探究
生物中的纳米结构探究生物是一个极其复杂的系统，其中包括了许多的纳米结构。
这些结构可以被定义为具有直径小于100纳米的微观结构。
虽然这些结构非常小，但它们在生物体内发挥着重要的作用。
因此，研究生物中的纳米结构已经成为了生物学领域中的一个重要课题。
一、纳米结构的分类生物中的纳米结构可以被分类为两类：一类是有序纳米结构，另一类是无序纳米结构。
有序纳米结构通常由生物聚合物或矿物质自组装而成，例如蛋白质中的α螺旋、β折叠和螺旋-褶板结构等，以及硅藻细胞壳中的有序孔隙结构等。
无序纳米结构则通常是由生物分子的随机分布形成的，例如细胞膜中的脂质双层结构、核糖体中的核酸分子结构等。
二、纳米结构的功能生物中的纳米结构具有多种重要的功能，例如：1. 传递信息生物体内的一些纳米结构可以用来传递信息，如细胞膜上的受体和信使分子。
这些结构通过相互作用产生信号传递。
受体结合信使分子时，可以引发一系列反应，进而传递信息。
2. 分子识别许多纳米结构可以用来识别其他分子，如抗体可以识别外来物质，红细胞受体可以识别氧气等。
这些结构也可以用来检测疾病和研究生物化学反应。
3. 生物催化一些纳米结构可以用来催化生物化学反应，如酶。
酶通过与底物相互作用，加速生物化学反应，把化学反应速率提高了10^7-10^10倍，并能在相对低的温度和压力下运行，因此对生命体系至关重要。
4. 结构稳定生物中的一些纳米结构可以用来保持结构稳定性，例如蛋白质中的交叉作用和细胞膜中的脂质双层。
这些结构可以保持分子的可控性和活性，使细胞可以在复杂的环境中生存。
三、研究纳米结构的方法为了研究生物中的纳米结构，科学家们采用了许多不同的方法。
其中一些最常用的方法包括：1. X射线衍射和散射X射线衍射和散射是研究生物中纳米结构的重要工具。
这些技术能够通过衍射或散射光线得到结构的信息，进而了解纳米结构的性质和功能。
2. 电镜电镜是一种常用的研究纳米结构的工具。
它能够通过高分辨率成像来揭示生物学样品的微观结构，甚至对于非晶态的样品也有很高的分辨率。
纳米结构及其在化学领域中的应用
纳米结构及其在化学领域中的应用纳米技术是21世纪科技发展的前沿领域之一，其可以将物质制备成纳米级尺寸的颗粒、薄膜、管或球等纳米结构，并通过控制这些纳米结构的大小、形状和表面性质等来制备新型材料。
这些材料具有比传统材料更优异的物理、化学、光电性能和应用性能，在化学领域中应用广泛。
本文将从纳米结构的形态、制备方法以及在化学领域中的应用等方面进行探讨。
一、纳米结构的形态与制备方法通过纳米技术可以制备出多种形态的纳米结构，其中纳米颗粒和纳米薄膜是应用最广泛的两种纳米结构。
1. 纳米颗粒纳米颗粒具有较大的比表面积和较小的粒径，可以增加反应界面，提高了化学反应的活性和选择性，因此在催化、储能、传感和生物医学等领域中有着广泛的应用。
制备方法：（1）物理方法物理方法主要包括溅射、熔滴法、毛细管电泳法和气相法等，其中最常用的是溅射法。
这种方法可以通过控制反应条件来制备出不同大小、形态和成分的纳米颗粒。
（2）化学方法化学方法主要包括溶液法、胶体法和微乳液法等。
化学方法的优点在于易于控制反应条件和制备出具有一定复杂结构和粒径分布的纳米颗粒。
2. 纳米薄膜纳米薄膜可以通过化学气相沉积、物理气相沉积、溶胶-凝胶法和分子束外延法等方法制备得到，其中溶胶-凝胶法制备出的纳米薄膜成本低、制备方法简单，因此应用较为广泛。
二、纳米结构在化学领域中的应用纳米结构具有许多优异的物理、化学、光电性能和应用性能，可以应用于催化、传感、磁性材料、光电材料、生物医学和储能等领域。
1. 催化纳米颗粒在催化反应中可以提高化学反应活性、选择性和稳定性。
例如，纳米催化剂可以将二氧化碳转化为氢气、甲烷和甲醇等有用的化合物。
此外，在化学合成、能源转换和环境保护等领域中，纳米催化剂也有广泛应用。
2. 传感纳米结构在传感器制备中可以增强传感器的灵敏度和特异性，以及减少能量消耗和通量浓度。
例如，纳米颗粒可以应用于环境污染、食品安全和生物检测等领域的传感器制备，达到高效、快速的检测效果。
第五章 有序纳米结构及其应用
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
新型纳米结构的器件与应用
新型纳米结构的器件与应用纳米技术是近年来发展最快的领域之一，它可以控制、制造、操作和改变微观世界中的物质。
纳米技术不仅改变了我们对物质的认识和理解，而且还推动了微电子器件、燃料电池、生物传感器等领域的发展。
本文将讨论新型纳米结构的器件与应用，并对其未来的发展趋势进行展望。
一，纳米线阵列纳米线阵列是一种具有高表面积、优越的电学和光学性能、较小的热电阻和高效的催化活性等特点的纳米结构。
它的光学性能对于太阳能电池、光电器件和传感器等领域具有广泛的应用价值。
纳米线阵列具有种类繁多的化学合成方法，其中自组装技术是一种低成本、高效率的制造纳米线阵列的方法。
自组装技术可以利用分子间相互作用力将纳米线排列成有序的阵列。
该技术可以很好地控制纳米线的间距和方向，以及形成不同的结构。
纳米线阵列在生物传感器中有着广泛的应用。
由于其高效的传导和信号转移性能，纳米线阵列可以用于检测分子、细胞和酶等生物体系。
纳米线阵列也可以用于制造微纳米机械、纳米电路和晶体管等器件。
二，纳米颗粒纳米颗粒是一种直径小于100纳米的粒子，具有高比表面积、表面活性、柔性和可调性等优点。
纳米颗粒的多样性使它在药物输送、光催化、生物传感器和能源储存等领域中得到广泛的应用。
纳米颗粒可以通过多种手段制备，如化学合成、物理气相沉积、离子束蚀刻等方法。
化学合成方法是一种为量身定制设计纳米颗粒形态、大小和表面性质的高效途径。
例如，在药物输送领域，可以利用化学合成方法制造稳定的纳米粒子，以实现高效率的药物输送。
纳米颗粒还可以应用于环境治理和能源储存等领域。
利用纳米颗粒的表面积和表面活性，可以制造高效的光催化剂，用于水处理和污染物降解。
此外，纳米颗粒还可以用于制备高性能的锂离子电池、超级电容器和太阳能电池等能源储存装置。
三，二维材料二维材料是一种单原子厚度的材料，主要包括石墨烯、硫化物、氧化物等。
由于其强烈的量子限制效应和几何形态独特性，二维材料具有优越的力学、电学和光学性能，可用于制造高效的电池、催化剂和生物传感器等器件。
纳米材料纳米结构及其应用
第21卷第6期孝感学院学报VOL.21 NO.6 2001年12月JOURNAL OF XIAO GAN UNIV ERSITY DEC.2001 纳米材料、纳米结构及其应用周环波(孝感学院化学系,湖北孝感432100)摘 要:本文系统介绍了纳米科学与技术的形成与发展简史及基础知识;重点介绍了固体纳米微粒的制备与合成方法,纳米材料的物理、化学特性及纳米材料的应用;介绍了纳米科学技术的最新进展。
关键词:纳米;纳米科技;纳米材料;纳米结构中图分类号:O641 文献标识码:A 文章编号:1671-2544(2001)06-0034-051 纳米科学发展简史及重要进展1.1 纳米材料及纳米结构[1]纳米材料(nano-material),通常是指构成物质的“单元”的三维尺寸中至少有一维是纳米级的(称为“纳米单元”),也就是有一维尺寸在1～100nm之间的材料。
这个范围不是严格的“纳米尺度标准”,重要的是物质的“固体尺寸小到某一范围时其某种物理、化学性质是否发生突变”。
纳米结构(nano-structure),是指以纳米尺度的物质单元为基元,按一定规律排列,形成一维的、二维的及三维阵列。
研究纳米体系、纳米结构的运动规律、相互作用及实际应用的科学,就称为“纳米科学与技术”(nano-ST)。
纳米科学是新型交叉、综合性科学,主要内容包括纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学等及其应用。
1.2 纳米科学发展简史及重要进展纳米科学成为一门独立的学科,只有十几年的历史。
1990年7月,在美国巴尔的摩召开了首届“国际纳米科技会议”,这次会议决定出版三种纳米科学杂志:《纳米结构材料》、《纳米生物学》、《纳米技术》,这次会议标志着“纳米科学”正式成为一门独立学科。
纳米科学的形成与发展可大致划分为三个阶段。
第一阶段:1990年以前。
“探索阶段”,主要在实验室探索合成、制备各种纳米微粉、合成块体、薄膜及研究纳米材料的表征方法,探索纳米材料的特殊性能。
细胞纳米结构的研究和应用
细胞纳米结构的研究和应用随着科技的不断发展，纳米科技已经成为了许多行业的研究热点和应用领域。
而在生命科学领域，细胞纳米结构的研究也是一个备受关注的话题。
一、细胞的纳米结构细胞是一种极其微小的生物体，它的大小通常只有几个微米。
然而在细胞内部，却存在许多纳米级别的结构，这些结构对于细胞的生命活动有着至关重要的作用。
细胞的核心是细胞核，而细胞核内部则有着DNA分子，这些分子按照一定的结构排列在一起，构成了染色体。
染色体是细胞遗传信息的载体，决定了细胞的特征和功能。
另外，在细胞质中还存在着各种细胞器，如线粒体、内质网、高尔基体等。
这些细胞器具有不同的功能，如线粒体是细胞内的能量供应中心，可以将葡萄糖等有机物分解成能量，并将其释放给细胞使用；内质网则是细胞内蛋白质合成和加工的地方，可以将蛋白质加工成具有相应功能的蛋白质分子。
细胞表面上还有许多与外界环境交互的结构，如细胞膜、细胞壁等。
细胞膜是由脂质分子构成的双层膜，在细胞内外之间建立了一个相对稳定的环境，同时也是细胞与外界交流的主要通道。
二、细胞纳米结构的研究方法细胞作为一种微小的生命体，其内部的纳米结构对于研究者来说是十分难以观察和探测的。
为了解决这个问题，科学家们发展了许多细胞纳米结构的研究方法。
1. 电镜技术电子显微镜技术可以用来进行纳米级别的细胞结构观察，其分辨率可以达到纳米级别，对于细胞内部的结构观察具有重要意义。
这种技术能够清晰地观察到细胞内部的各种细胞器，以及细胞表面上的各种结构。
2. 光学显微镜技术由于电镜技术使用的电子束需要在真空环境下进行，因此其对于活细胞的观察存在着限制。
为了克服这个问题，科学家们发展了一种新的观察方法——荧光显微镜技术。
这种方法利用特殊的荧光染料或标记物，将其标记在细胞的特定结构上，然后利用荧光显微镜来进行观察。
3. 纳米线扫描技术纳米线扫描技术可以用来进行对于细胞表面结构的观察，其分辨率可以达到纳米级别。
这种技术可以被用来观察细胞表面的微观组织结构以及分子级别的变化。
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自组装是自然界普遍存在的现象，生物的细胞、 动物的骨骼、贝壳、珍珠、天然矿物沸石等，皆 是大自然自组装的具有纳米结构的材料
图5-17 浮游生物体内有序的石灰质结构
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第五章 有序纳米结构及其应用
生物体内的这些结构是经过上亿年的自然选择的 结果，它们的合成条件温和、同时对结构的控制 也非常的精确 了解生命体是如何合成这些结构的，对于指导以 经济合理、环境友好的路径来合成具有广泛用途 的的材料具有重要意义
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第五章 有序纳米结构及其应用
电子束刻蚀
光学曝光的分辨率和焦深主要受光源波长和透镜数值孔径 的限制，而电子束的辐射波长则可通过增大能量来大大缩 短
h m0 c
其中λ为波长，h为普朗克常数，m0为电子质量，c电子的运动速度
因此电子束曝光的分辨率要远远超过光学光刻，电子束曝 光制作的最小器件尺寸可达10～20nm，若加速电压高达 100kV时，则可制作1～2nm的单电子器件
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第五章 有序纳米结构及其应用
粒子间相互作用能—DLVO理论
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第五章 有序纳米结构及其应用
上节课内容 开始学习自组装技术制备有序纳米结构 自组装的定义 自组装技术源自自然界的普遍现象 自组装过程的驱动力 微观粒子间的相互作用能——DLVO理论 本节继续学习其他自组装技术
图5-7 XRL光刻实例
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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）
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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
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第五章 有序纳米结构及其应用
纳米压印技术主要有3种： (1) 热压印技术（HEL） (2) 紫外压印（UV-NIL） (3) 微接触印刷（μCP）
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第五章 有序纳米结构及其应用
热压印技术（HEL） 热压印技术是在微纳米尺度获得并进行复制结构 的一种低成本而快速的方法，其工艺如下：
材料学院35第五章 有序纳结构及其应用人为利用自组装技术合成材料仅有20年的历史。 普遍认为纳米材料的自组装是在合适的物理、化 学条件下，原子、分子、粒子和其它结构单元， 通过氢键、范德华力、静电力等非共价键的相互 作用、亲水-疏水相互作用，在系统能量最低性原 理的驱动下，自发形成具有纳米结构材料的过程 目前，自组装已经成为合成新型纳米材料的一种 有效且有发展前景的方法 对自组装过程，最重要的驱动力是各结构单元之 间的相互作用能，无论这些亚单元是原子、分子 或粒子
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第五章 有序纳米结构及其应用
紫外压印技术 是将单体涂覆在衬底上，并与透明印章同时装载 到对准机上，当衬底和印章的光学对准后，开始 压印，透过印章的紫外曝光使压印区域的聚合物 发生聚合和固化反应
UV
图5-10 紫外印技术的工艺流程
紫外压印对环境要求更低，仅在室温和低压力下 就可以进行。从而缩短生产周期，减少印章磨损
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第五章 有序纳米结构及其应用
微型器件的纳米加工技术有2种方式： 自上而下：
主要是用于制造存储器和CPU等半导体的微细加工， 利用光线和或电子束等消除大片材料，最终留下所需要的 微细图形结构
自下而上：
通过人工手段把原子或分子层层淀积，来形成新的晶 体结构（人工晶体）从而造出新的物质或新的器件
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第五章 有序纳米结构及其应用
上述三种纳米压印技术（NIL）的特点 NIL技术除具有操作简单的优点外，还具有一个 突出的优点 就是采用层层压印的方式获得三维有序纳米结构
图5-14 多层压印技术及其实例
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第五章 有序纳米结构及其应用
2、自组装技术
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第五章 有序纳米结构及其应用
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第五章 有序纳米结构及其应用
微观粒子间的相互作用能
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第五章 有序纳米结构及其应用
首先，纳米粒子都是带电的，所以粒子之间存在 静电斥力 其次，粒子之间永远存在一种引力，即范德华力。 它由色散力、诱导力和取向力所组成 粒子间的相互作用能就是由静电斥力和范德华引 力共同作用的结果，即DLVO理论
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第五章 有序纳米结构及其应用
电子束刻蚀
图5-9 EBL技术实例
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第五章 有序纳米结构及其应用
电子束刻蚀的缺点 电子束刻蚀也存在一些严重缺点：
刻蚀速度极慢，无法适应工业化批量生产 因电子质量轻，感光胶过程中散射范围大，散射电子会 影响邻近电路图形的曝光质量
目前的趋势是，将电子束刻蚀与光学光刻混合， 即大部分工艺由光学光刻完成，精细图形由电子 束刻蚀完成
第五章 有序纳米结构及其应用
传统光刻工艺过程—定域刻蚀
剥离 复印好的图形 腐蚀 剥离 介质层 抗蚀剂 衬底 沉积物
图5-3 传统光刻工艺中的定域刻蚀过程示意图
定域刻蚀：是将抗蚀剂薄层未掩盖的晶片表面或介质层除 去，从而获得与抗蚀剂图形完全一致的图形
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第五章 有序纳米结构及其应用
分辨率和焦深 在光刻技术中，对成像质量的评价有2个重要指标： 分辨率：
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第五章 有序纳米结构及其应用
离子束刻蚀 离子束刻蚀的加工原理与电子束类似 采用高能离子的轰击作用直接对被加工工件进行 物理溅蚀，以实现原子级的微细加工
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第五章 有序纳米结构及其应用
纳米压印技术（NIL）
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第五章 有序纳米结构及其应用
纳米压印光刻技术始于Chou教授主持的普林斯顿 大学的纳米结构实验室 它是通过将具有纳米图案的模板以机械力（高温、 高压）压在涂有高分子材料的硅基板上，是等比 例压印复制纳米图案 其加工分辨率只与模板图案尺寸有关，不受光学 光刻的最短曝光波长的限制 这种光刻方法具有成本低、效率高的特点，有望 成为下一代电子和光电子产业的基本技术
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第五章 有序纳米结构及其应用
微接触印刷的工艺过程 在PDMS（聚二甲基 硅氧烷 ）上涂上Co 的纳米粒子（以单分 子层形式存在） 通过印刷将图案转移 到金属或其他基底的 表面上 形成的图案可用作掩 膜以刻蚀下其他的Si、 SiO2基底，或作为控 制沉积物的钝化层
图5-13 Co纳米粒子微接触印刷过程示意图
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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
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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）
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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
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第五章 有序纳米结构及其应用
1、纳米刻蚀技术
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第五章 有序纳米结构及其应用
纳米刻蚀技术是一种微细加工技术 它的发展将加工精度从微米级提高到纳米级，这 种技术的突破对信息产业和其它相关产业带来一 场深刻的革命，由此获得的经济价值是难以估量 的 纳米级加工是将待加工器件表面的纳米结构单元、 甚至是原子或分子作为直接的加工对象，因此， 其物理实质就是切断微观粒子的结合，实现原子 和分子的去除和增添 故纳米加工的发展为各种新颖的电子学、光学、 磁学、力学纳米功能器件的开发提供了广阔前景
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第五章 有序纳米结构及其应用
图5-12 紫外压印实例
上图展示的紫外压印得到的直径为50nm的平行柱状阵列、纳 米片阵列和60°角两次交叉压印的金刚石状阵列
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第五章 有序纳米结构及其应用
微接触印刷 是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，可直接 用于大面积的简单图案的制作 适用于微米至纳米级图形的制作，最小分辨率可 达35nm 在微制造，生物传感器、表面性质研究方面有重 要应用
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第五章 有序纳米结构及其应用
随着集成电路的发展，作为衡量半导体工业水平 的特征尺寸已经达到纳米量级 在这一技术发展过程中，如何采用合适的光刻技 术得到纳米级的特征尺寸是半导体加工面临的一 个关键问题 为此人们开发了基于传统半导体加工饿纳米技工 技术：极紫外刻蚀和X射线刻蚀 在了解上述刻蚀技术前，先介绍一下传统半导体 中的光刻工艺
即能分辨的最小线宽，线宽越小，分辨率越高。分辨 率决定了芯片上单个器件的最小尺寸
焦深：
即能够可出最小线宽时，像面偏离理想脚面的范围。 焦深越大，对图形制作越有利
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第五章 有序纳米结构及其应用
瑞利定律
根据瑞利定律
R k1 NA
D k2 (NA)2
其中，R为分辨率，D为焦深，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
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第五章 有序纳米结构及其应用
极紫外光刻技术 极紫外光的波长可达11～14nm，采用Si和Mo组 成的多层膜作为掩模板，可实现理论分辨率为 7nm的光刻
图5-5 EUVL光刻实例
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第五章 有序纳米结构及其应用
X射线光刻技术 X射线的波长更短，通常采用0.4～1.4nm的X射线。 相对来说X射线的焦深更容易控制，更长，可达7 微米