纳米级加工技术

本科生专业课程第10章纳米技术纳米级—（0.1nm～100nm）纳米技术包括材料、设计、制造、测量和控制技术，涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域。在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”，而出现一系列新现象和规律。量子效应、界面效应、尺寸效应等不可忽略，甚至成为主导因素。•1纳米=10-9m，大约等于十个氢原子并列一直线的长度。•形象地讲，一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般，这就是纳米长度的概念。•人类头发的直径大约有6万至8万纳米。纳米及纳米技术•纳米技术：是20世纪80年代末期兴起的新技术，其基本含意是在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操纵和安排原子、分子而达到创新的目的。•主要是在纳米尺度(0.1-100nm)上研究物质(包括原子、分子的操纵)的特性和相互作用，以及如何利用这些特性和相互作用的具有多科交叉性质的科学和技术。纳米科技研究内容•纳米科技的研究内容：纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等学科。•纳米技术涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域。纳米科技大厦纳米技术研究的主要内容纳米材料；纳米级传感与控制技术；纳米级测量技术；纳米级加工技术；纳米机械的设计与制造技术…………。在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”，而出现一系列新现象和规律。量子效应、界面效应、尺寸效应等不可忽略，甚至成为主导因素。人们发现，在0.l一100nm的空间尺度内，物质存在许多奇异的性质。任何物质到了纳米量级，其物理、化学性质都会发生巨大的变化，也会因此而具有一些新的特性。例如，纳米铁粉一改“不怕火烧”的“英雄本性”，而变成一旦遇到空气，就能马上燃烧起来，生成氧化铁。纳米感觉纳米材料的基本效应•小尺寸效应：当微粒分割到达一定程度时，其性质将会发生根本性的变化。•量子效应：电子能级由准连续变为离散能级的现象。•界面效应：纳米材料由于大量的原子存在于晶界和局部的原子结构不同于大块晶体材料，使纳米材料的自由能增加，纳米材料处于不稳定状态。•表面效应：纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子或分子所占的比例非常大。特点：尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大四个方面应用:(1)纳米电子学(2)纳米材料科学(3)纳米生物学(4)纳米医学:发明、设计及生产纳米级的新药物特点及应用观察和研究固体表面的微观结构改造微观世界的手段——操纵原子不是梦进行纳米级微加工——表面刻蚀进行纳米级微加工——表面刻蚀进行纳米级微加工——表面刻蚀600nm石墨表面上刻蚀•1981年：科学家发明研究纳米的重要工具—扫描隧道显微镜，原子、分子世界从此可见。•1990年：首届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩举办，纳米技术形式诞生。•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，强度却是铁的10倍，成为纳米技术研究的热点。国外纳米技术进展国外纳米技术进展移动原子——世界上最小的广告1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。科学家在试验中发现STM的探针不仅能得到原子图象，而且可以将原子在一个位置吸住，再搬运到另一个地方放下。这意味着人类从此可以对原子进行操纵！这在过去只能从科幻小说上看到的情节现在已经成为现实。移动原子——世界上最小的广告用STM移动分子组成的IBM字样纳米组装体系是以纳米颗粒、纳米丝或纳米管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系，如人造超原子体系、有序阵列等。人工组装合成的纳米结构的体系纳米齿轮纳米轨道状C纳米索线纳米多层管C纳米管和C60球C纳米管多层C纳米管C脚手架C60晶体管国外纳米技术进展•实心的纳米棒、纳米线、量子线材料世界中的大力士-纳米金属块体金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料，它会变得十分结实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样富于弹性。纳米金属铜的超延展性纳米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性，高硬度和耐高温，使发动机工作在更高的温度下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。纳米陶瓷刚柔并济！纳米陶瓷如果有一种超微型镊子，能够钳起分子或原子并对它们随意组合，制造纳米机械就容易多了。科学家用DNA制造出了一种纳米级的镊子。利用它将可以制造出分子大小的电子电路，使未来的计算机体积更小，运算速度更快。匪夷所思的DNA镊子纳米存储器，存储密度可达每平方厘米10万亿字节。国外纳米技术进展•朗讯公司和牛津大学:纳米镊子•碳纳米管“秤”，称量一个病毒的重量•称量单个原子重量的“纳米秤”机器人配备纳米“大脑”美国军方日前公布了取名为“毫微科技战士”研发计划，希望十年内打造出目前只能在电子游戏中才能看到的刀枪不入的“超级战士”。美国未来“超级战士”可能配备的装备有：埋有传感器的头盔，使士兵多只后眼不至于被打闷棍；藏有微处理器和药包的军服，自动感知士兵身体情况并敷药；有微涂层的军服可以抵抗生化武器袭击；由“铰合分子”制造的比人体肌肉强壮10倍的“肌肉”，这种人造肌肉一旦装到手套、制服和军靴里，跳过高墙不在话下。“纳米科技战士”这种人手模型上的聚合体遇电会收缩弯曲，可装备在作战服上作为“辅助肌肉”增强士兵跳跃、搬运的能力，同时也可用于战场急救。用纳米技术制造出防水布料。用这种超薄布料制成的作战服几乎感觉不到重量，而现在一名全副武装的美军士兵负重介于90到120磅之间。另外根据磁场变化的原理，科学家们正在研制通常状态下柔软舒适，一旦侦测到弹道威胁时立刻强化僵硬的装甲系统。未来的美军作战服可能就是这个样子纳米科技的战略地位21世纪前20年，是发展纳米技术的关键时期，纳米技术将成为推动社会经济各领域快速发展的主导技术。目前，纳米技术已经成为全世界非常关注的技术，纳电子代替微电子，纳加工代替微加工，纳米材料代替微米材料，纳米生物技术代替微米尺度的生物技术。只有认识它、发展它，才有可能在未来经济竞争的格局中占据主动。计算机技术从20世纪70年代开始，每5—7年都有一个大变化。一是每18个月单位面积存储信息量要增加一倍，而且价格更便宜；二是计算机每隔5—7年尺寸要缩小10倍，价格便宜10倍，同时计算的速度提高10倍。1998年，美国明尼苏达大学率先研制出量子磁盘。一个量子磁盘只有100纳米大小，完全是纳米阵列，它的存储密度是465G，一个量子磁盘相当于我们现在的磁盘10万个到100万个。这样一个器件，就要用纳米材料，在纳米尺度内加工。纳米技术将成为21世纪的主导技术节约资源、节约能源、净化环境是下一次工业革命的必然趋势。在下一次工业革命中要想节约资源、能源，就要用纳米尺度的材料做成器件，它的特点是工具小、节省材料、能耗低。纳米技术在新的工业革命当中将发挥重要的作用。从纳米产业未来的市场发展来看，世界各国正在纷纷抢占纳米产业这个巨大的市场。全球纳米技术产业的年产值已经接近1000亿美元，据估计，到2010年美国要培养80万真正懂纳米科技的人才，纳米科技对美国国民生产总值（GDP）的贡献要达到1万亿美元，并提供200万个就业机会。科技革命带来的必然结果是引起新的产业革命，而产业革命又必然带来经济的巨大变化和迅速发展。随着纳米科技的产生和发展，一场新的工业革命即将发生。纳米科技在21世纪的经济舞台上将扮演举足轻重的角色。“纳米经济”“钱”途广——纳米科技对经济发展的影响纳米技术在美国•2010年:80万纳米科技人才,GDP1万亿美元,200万个就业机会•能源部的8项优先研究中，6项有关纳米材料•本世纪前10年几个关键领域之一，制定了“国家纳米技术倡议”:•纳米材料•纳米电子学、光电子学和磁学•纳米医学和生物学•军工:隐形飞机表面涂料、舰船表面纳米涂料•美国总统布什2003.12.3日签署了《21世纪纳米技术研究开发法案》，批准联邦政府在从2005财政年度开始的4年中共投入约37亿美元，用于促进纳米技术的研究开发纳米技术在日本•国会:21世纪前20年的立国之本，日本政府总共投资了多于38亿美元在研究上•著名大企业:纳米实用化技术的计划–三菱化工建立了(富勒烯)纳米碳管生产线–自洁净玻璃、光催化净化水或空气纳米技术在欧洲•第一个五年纳米科技研究(99-03)已结束•第二个五年纳米科技研究(04-09)正在进行中，共计投入了几十亿欧元纳米技术与当代中国•1993年，中科院操纵原子写字•《国家纳米科技发展纲要2001-2010》和《国家纳米科技发展指南框架》纳米绘画艺术——纳米中国中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。这幅地图到底有多小呢？打个比方吧，如果把这幅图放大到一张一米见方的中国地图大小的尺寸，就相当于把该幅地图放大到中国辽阔的领土的面积。纳米绘画艺术——纳米中国纳米技术对竞争力的提升•能源领域：石油、煤等不可再生资源。•环保领域：解决水污染的问题、解决空气污染的问题。•微电子：纳米电子器件、纳米线、纳米传感器。•信息领域：光纤、发光器件。纳米技术对竞争力的提升•功能性涂料、薄膜：防静电涂料、特殊视觉涂料、紫外线吸收涂层、耐磨、防腐、耐高温、耐冲刷涂层。•机械：纳米结构单元和纳米机械•结构陶瓷：增强、增韧、助烧结纳米技术对竞争力的提升•化学化工：催化剂、助催化剂、阻燃剂等。•塑料和橡胶：制品成型剂、补强剂、抗老化剂。•办公领域：复印机和激光打印机的墨粉，喷墨打印机墨水、高级墨水。纳米技术对竞争力的提升•纳米药物：磁性纳米粒子药物•卫生保健品：防晒霜•纺织品：反射红外线型化纤、杀菌灭菌除臭型化纤提升国防科技•纳米探测系统•纳米材料提高武器打击•纳米材料提高防护能力•纳米机械系统制造的小型机器人•雷达隐身技术•纳米卫星我国“十一五”纳米科技发展重点纳米电子、纳米光电子材料与微纳器件纳米加工与表征技术纳米生物医用材料：纳米传感器、重大疾病早期诊断与治疗用纳米材料与器件。纳米环境与能源材料：环境友好与资源节约型纳米材料与技术，新型能源纳米材料与器件。提升传统产业的纳米材料与技术纳米级加工纳米级加工的含义纳米级加工的含意是达到纳米级加工精度，包含：纳米级尺寸精度，纳米级几何形状精度、纳米级表面质量。纳米级加工的特点欲得到lnm的加工精度，加工的最小单位必然在亚纳米级。由于原子间的距离为0.1-0.3nm，纳米级加工实际上已到加工精度的极限。纳米级加工中试件表面的一个个原于或分子将成为直接的加工对象，因此纳米级加工的物理实质就是要切断原子间的结合，实现原子或分子的去除。纳米级加工方法纳米级加工的主要方法：直接利用光子、电子、离子等基本能子的加工。近年来纳米级加工有很大的突破，例如：用电子束光刻和离子刻蚀，己实现0.1m线宽的加工；扫描隧道显微技术已实现单个原子的去除、搬迁、增添和原子的重组。微米与纳米加工技术可达的水平序加工方法可达水平1精密电火花加工约1微米2金刚石刀具超精切削mRa)002.0~02.0(的镜面,可切削1nm的切屑3精密研磨、抛光mRa)002.0~01.0(的镜面,用于量块、光学平晶、集成电路硅基片加工4电子束刻蚀0.1微米线宽5离子束加工达纳米级6紫外线光刻0.35微米7LIGA技术(光刻、电铸复合采用深同步X射线光刻)达0.1微米8扫描隧道显微（STM）加工及原子力显微（AFM）加工达0.1纳米目前主要纳米级加工方法：纳米级机械加工电子束和离子束加工扫描隧道显微加工技术等一、纳米级机械加工金刚石刀具超精密切削加工有色金属和非金属可能获得Ra(0.02-0.002)m的镜面，刀具仔细研磨时可切lnm切削厚度的切屑。主要用平面、圆柱面和非球曲面的镜面加工。最近新发展的金属结合剂砂轮的在线电解修整砂轮的ELID镜面磨削技术可以加工出Ra(0.02-0.002)m的镜面。精密研磨抛光可以加工出Ra(0.01-0.002)m的镜面。量块、集成电路的硅基片等都是用精密研磨得到高质量表面。二、电