第十章 纳米技术 - 修改1 - 图文(3)

第十章 纳米技术

图 10 - 8白条钢ELID磨削效果及检测结果图

普通切削和磨削钢时，当切削或磨削深度在50μm以上时，剪切抵抗应力大约为

500N/mm，当切深小到1μm以下时，剪切抵抗应力达到1.3310N/mm ，当切深更小时，剪切抵抗应力更将明显增大。

3．精密研磨和抛光

精密研磨和抛光是使用超微粒度的自由磨料，在研具的作用和带动下冲击加工表面，使产生压痕和微裂纹，依次去除表面的微细突出达到加工出Ra（0.01~0.002）μm的镜面。研磨剂中一般都有化学活性剂，所以研磨抛光实际上也是一种机械和化学的复合作用的过程。研磨抛光在超精密加工中应用广泛，不仅可以得到很小的表面粗糙度值，而且可以得到很高的平面度（或要求的曲面形状），控制好时可使加工表面变质层很小。现在大规模集成电路的硅基片、标准量块、光学平晶、光学平面镜、棱镜、高精度钢球、计量用的标准球等都使用研磨抛光作为最后的精加工工序。 10.3.6 三束加工技术

三束加工是电子束加工、离子束加工和激光束加工，可用于刻蚀、打孔、切割、焊接、表面处理和改性等加工。 1. 电子束加工技术

1） 原理

电子的特征尺寸和质量都非常小，半径为2.8310－6nm。质量是9310－28g，但其动能通过加速可达到数十甚至上百千电子伏(1keV=1.6310-19J)，被加速的电子能够击进工件的表面，其穿透深度为

H=2.2310-12/（U2·ρ1）（cm）

式中：H为被加速的电子能够击进工件表面的深度（cm）

U为加速电压（V）

ρ为被加工材料的密度（g/cm）

被加速的电子不是将其能量施于表面的原子，而是施于电子穿透层，而且电子的动能并不直接转化为被撞原子的动能，而是传递给其外部轨道上的电子。因此电子束加工是以热能的方式去除穿透层表面的原子。从原理上讲电子束加工不能直接用于纳米级加工。但电子束可以聚焦成很小的束斑（φ0.1μｍ）照射敏感材料，用电子束刻蚀法可以刻蚀出0.1μｍ的线条宽度而得到生产实际的应用。

2） 加工方法

在真空中将阴极发射出来的负电子向正极加速，聚焦成极细的、能量密度极高的束流，高速运动的电子撞击到工件表面，动能转化为热能，使材料熔化，气化并在真空中被抽走。控制电子束的强弱和偏转方向，配合工作台的X、Y方向的精密位移，可实现打孔、成形切割、刻蚀、焊接、表面处理和光刻暴光等工艺。可以在0.5mm厚的不锈钢板上加工出3μｍ

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的小孔，切割3～6μｍ的窄缝，可在硅片上刻出2.5μｍ宽、0.25μｍ深的细槽。使用电子束光刻可在敏感材料上进行光刻暴光。由于电子束射线的波长比可见光短得多，因此可以得到更高的线条图像分辨率，在大规模集成电路芯片的制造中，可以用电子束光刻暴光法加工出0.1μｍ宽度的线条。现正研究用波长更短的X射线聚焦后对特殊材料的光敏抗蚀剂进行扫描暴光，使能刻蚀出更精密的线条和图形。

2.光束加工技术

光束的基本粒子是光子，光子虽无质量但有较高的能量，当光的频率为υ，波长为λ。光子的能量E为

E=h2υ=h2c/λ

式中 h为Plank常数， h=6.63310-34J;c为光速，c=33108m/s。

激光加工是光束加工中常用的方法，常用的激光有YAG激光（λ＝1.06μｍ）和CO2激光（λ＝10.63μｍ）。由于波长较大每个光子的能量太小，对应的能量转换区过大，不适宜于纳米级加工。氩离子激光（λ＝0.125μｍ）的光能可达10J，比铁的原子间结合能1.6310-20J大，从理论上讲可以用于纳米级加工。但激光加工并非用光能直接碰撞去掉表面原子的，光能首先转化为工件表面原子的外部轨道上电子的势能，然后由原子的热能或动能去掉原子。一般是多个光子撞击一个原子使其动能超过原子间结合能，从而达到去除原子的效果。激光加工可以进行加工小孔、切割、刻线、表面处理等。但由于精度控制较难，现在还没有被用在纳米级加工中。

利用具有更大光能的X同步射线的加工方法，有可能用于原子级的溅射去除加工。 2．离子束加工技术

离子束加工包括离子镀膜、离子电蚀、离子抛光、离子清洗以及离子注入技术等。 离子束加工原理不同于光子束和电子束加工，因离子直径为0.1nm数量级，与被加工材料的原子尺寸和质量为同一数量级，故其加工原理是将离子的动能直接传递转化为被加工材料原子的动能，使其大于原子间的结合能，即直接将工件表面原子碰撞出去以达到加工的目的。离子束加工不是通过热能的转换，故理论上可以有较高的效率和较高的精度。现在离子束加工已是超精密加工中的一项重要的新技术，成为开发尖端产品、提高关键精密零件功能与特性的不可缺少的手段之一。

离子镀膜技术通过对被镀膜基材镀层的选择，可以达到防锈、抗磨损、提高润滑性与降低摩擦系数、表面改性与获得特殊光学性能。离子镀膜的特点是附着牢固、膜层厚度均匀、致密、可控性好、可镀范围广。

离子刻蚀是利用溅射效应对工件表面进行选择性剥离加工，是一种能达到亚微米级的超精密加工技术（1～100nm）用聚焦的离子束进行刻蚀，可以得到精确的形状和0.2nm的线条宽度。加工材料不受限制。不仅可以对各种金属，而且可以对陶瓷、石英玻璃、硅片及多种非金属的表面进行加工，并可以达到很高的重复精度。离子清洗、离子抛光实际上其原理和离子刻蚀无多大差异。

离子注射技术是以高速度的离子束轰击被加工物体表面，以达到离子注入物体表面内层1μｍ以内深度，它可以使金属表面材料改性。离子以大致浓度1017～1019个/cm2的剂量注入表面，产生大量位错、钉孔，强化表面组织。

当前离子注入已研究了离子束辅助沉积技术（ion assistant coat, IAC）。它兼有离子镀膜与离子注入的主要优点，同时克服了两者缺点。现在已有用镀膜与注入交替进行的方式而达到综合效果。

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10.3.7 扫描隧道显微加工技术 1．原子级加工的基本原理

扫描隧道显微镜发明初期是用于测量试件表面纳米级的形貌，不久又发明了原子力显微镜。在这些显微探针检测技术的实用中发现可以通过这显微探针操纵试件表面的单个原子，实现单个原子和分子的搬迁、去除、增添和原子排列重组，实现极限的精加工，原子级的精密加工。

当显微镜的探针对准试件表面某个原子并非常接近时，试件上的该原子受到两个方面的力：一面是探针尖端原子对它的原子间作用力；另一面是试件其他原子对它的原子间结合力。如探针尖端原子和它的距离小到某极小距离时，探针针尖可以带动该原子跟随针尖移动而又不脱离试件表面，实现了试件表面的原子搬迁。搬迁示意图如图10-9。

图10-9 利用STM原子搬迁示意图

在显微镜探针针尖对准试件表面某原子时，再加上电偏压或加脉冲电压，使该原子成为离子而被电场蒸发，达到去除电子形成空位。试验证明，无论正脉冲或负脉冲均可抽出单个Si原子，说明Si原子既可以正离子也可以负离子的形式被电场蒸发。在有脉冲电压的情况 下，也可从针尖上发射原子，达到增添原子填补空位。 2．原子级加工技术及其发展

（1）近年来扫描隧道显微加工技术，即原子级加工技术获得了迅速的发展，取得了多项重要成果。1990年，美国圣荷塞IBM阿尔马登研究所的D.M.Eigler等在液氦温度（4.2K）和超真空环境中用STM将Ni(110)表面吸附的Xe（氙）原子逐一搬迁，最终以35个Xe原子排成IBM三个字母，如图10- 10所示，每个字母高5nm,Xe原子间最短距离约为1nm。这原子搬迁的方法就是使显微镜探针针尖对准选中的Xe原子，使针尖接近Xe原子，使原子

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间作用力达到让Xe原子跟随针尖移动到指定位置而不脱离Ni表面。用这方法可以排列密集的Xe原子链。

图10 - 10 35个Xe原子排成IBM三个字母

（2）1991年日本S.Hosoki等用STM在MoS2表面用硫空位写成“PEACE’91 HCRL”（其中HCRL为日立中央研究所的英文缩写）的字样，如图10- 11所示。用这种方法加工的字竟小于1.5nm。这用硫空位写字的方法就是将STM针尖对准某个硫原子，在针尖和试件间加脉冲电压，使硫原子电离，由于电场蒸发原理而逸离试件表面，留下空位。1993年，日本研究开发公司的M.Aono发表在温室条件下用STM加脉冲电压可以从Si(111)737表面抽出原子，机理为场蒸发。无论正负脉冲均能抽出单个Si原子，表明Si原子可以成为正离子，也可以成为负离子而被电场蒸发。

（3）美国的D.M.Eigler等在实现了Xe原子搬迁后，又实现了分子的搬迁排列。在铂单晶的表面上，将吸附的一氧化碳分子（CO）用STM搬迁排列起来，构成了一个身高仅为5nm的世界上最小的人的图样，如图10-12所示。用来构成这图样的（CO）分子间距离仅为0.5nm，人们称它为“一氧化碳小人”。

图10- 11 MoS2表面用硫空位写成的字样 图10- 12 一氧化碳分子（CO）组成的小人 （4）1993年11月号的美国的Physics Today杂志封面上刊登了一个圆形的像美丽的皇冠样的图形，它由周边的48个小图形组成。从中心到周围荡着水波一样的装饰，如图10- 13所示。这是IBM公司科学家的纳米技术的又一杰作。它是在单晶的表面用48个铁原子围成一个14.3nm 的圆圈，相邻两个铁原子间距离仅为1nm，这是用STM在液氦温度4.2K和高真空条件下移动铁原子到单晶铜表面三个等距排列的铜原子的中心位置。这创作是一种人工的

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围栏，把电子圈在围栏中心，关在围栏中的电子的表面电子态密度受到围栏中铁原子的影响，形成美丽的“电子波浪”，使人们能直观地看到电子态密度的分布。这实验还显示了电子是如何于人造的原子尺寸结构相互作用的。根据这原理，可以为电子建立一由铁原子构成的原子围栏，进行观察这样的电子如何给出量子力学基本方程的解，对这些电子态密度波浪的精确测量表明，它们恰好代表电子在这样围栏中应处的能量位置。

此后，IBM公司又用铁原子在单晶铜的表面排成了体育场等图形，如图10- 14所示。中国科学院在1993年也利用原子排列成“原子”字样，如图10- 15所示。

图10- 13 铁原子在单晶铜表面组成皇冠样的图案

图10- 14 铁原子在单晶铜表面组成体育场的图形 图10- 15 铁原子在单晶铜表面排成“原子”字样

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