纳米级加工技术

1、本科生专业课程本科生专业课程 第第1010章章纳米技术纳米技术 纳米级纳米级（0.1nm100nm） 纳米技术纳米技术包括包括材料、设计、制造、测量和控制材料、设计、制造、测量和控制技术，技术，涉及涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等等多个领域。多个领域。在达到纳米层次后，决非几何上的在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小相似缩小”，而出现一系列新现象和规律。而出现一系列新现象和规律。量子效应、界面效应、量子效应、界面效应、尺寸效应尺寸效应等不可忽略，甚至成为主导因素。等不可忽略，甚至成为主导因素。 1纳米纳米=10-9m，大大约约等等于于十

2、十个氢个氢原子原子并并列一列一直直线线的的长长度。度。 形象地讲，形象地讲，一纳米的物体放到乒乓球上，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，这就是就像一个乒乓球放在地球上一般，这就是纳米长度的概念纳米长度的概念。 人人类头发类头发的直的直径径大大约约有有6万万至至8万纳万纳米米。 纳米及纳米技术纳米及纳米技术 纳米技术：纳米技术：是是20世纪世纪80年代末期兴起的新技术，其年代末期兴起的新技术，其基本含意是在基本含意是在纳米尺寸范围纳米尺寸范围内认识和改造自然，通内认识和改造自然，通过直接操纵和安排过直接操纵和安排原子、分子原子、分子而达到创新的目的。而达到创新的目的。 主要

3、是主要是在在纳米尺度纳米尺度(0.1-100nm)上研究物质上研究物质(包括原子、包括原子、分子的操纵分子的操纵)的特性和相互作用，以及如何利用这些的特性和相互作用，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。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研究内容 纳米科技的研究内容：纳米科技的研究内容：纳米纳米物理学、纳米化学、纳米材物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电料学、纳米生物学、纳米电子学、子学、纳米加工学纳米加工学、纳米力、纳米力学学等学科。等学科。 纳米技术纳米技术涉及涉及机械、电子、机械、电子、材料、物理、化学、生物、材料、

4、物理、化学、生物、医学医学等多个领域。等多个领域。 纳米科技大厦纳米科技大厦纳米技术研究的主要内容纳米技术研究的主要内容 纳米材料；纳米材料； 纳米级传感与控制技术；纳米级传感与控制技术； 纳米级测量技术；纳米级测量技术； 纳米级加工技术；纳米级加工技术； 纳米机械的设计与制造技术纳米机械的设计与制造技术 。在达到纳米层次后，决非几何上的在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小相似缩小”，而出现一系列新现象，而出现一系列新现象和规律。和规律。量子效应、界面效应、尺寸量子效应、界面效应、尺寸效应效应等不可忽略，甚至成为主导因素。等不可忽略，甚至成为主导因素。人们发现，在人们发现，在0.l一一10

5、0nm的空间尺度的空间尺度内，物质存在许多奇异的性质。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，纳米铁粉的变化，也会因此而具有一些新的特性。例如，纳米铁粉一改一改“不怕火烧不怕火烧”的的“英雄本性英雄本性”，而变成一旦遇到空气，而变成一旦遇到空气，就能马上燃烧起来，生成氧化铁。就能马上燃烧起来，生成氧化铁。纳米感觉纳米感觉纳米材料的基本效应纳米材料的基本效应 小尺寸效应小尺寸效应：当微粒分割到达一定程度时，其性质将会发生根本性当微粒分割到达一定程度时，其性质将会发生根

6、本性的变化。的变化。量子效应量子效应：电子能级由准连续变为离散能级的现象。：电子能级由准连续变为离散能级的现象。界面效应界面效应：纳米材料由于大量的原子存在于晶界和局部的原子结构：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。稳定状态。表面效应：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。占的比例非常大。特点特点：尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大尺寸小、比表面积大、表面能高、表面

7、原子比例大四四个个方面方面应应用用: (1) 纳纳米米电电子子学学(2) 纳米纳米材料科材料科学学(3) 纳纳米生物米生物学学(4) 纳纳米米医学医学: 发明发明、设计设计及生及生产纳产纳米米级级的新的新药物药物 特点及应用特点及应用观察和研究固体表面的微观结构观察和研究固体表面的微观结构改造微观世界的手段改造微观世界的手段 操纵原子不是梦操纵原子不是梦进行纳米级微加工进行纳米级微加工表面刻蚀表面刻蚀进行纳米级微加工进行纳米级微加工表面刻蚀表面刻蚀进行纳米级微加工进行纳米级微加工表面刻蚀表面刻蚀600nm石墨表面上刻蚀石墨表面上刻蚀 1981年：科学家发明研究纳米的重要工具年：科学家发明研究纳

8、米的重要工具扫描隧道显扫描隧道显微镜微镜，原子、分子世界从此可见。，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，年：首届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩举办，纳米技术纳米技术形式诞生。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，强度却是铁的的六分之一，强度却是铁的10倍，倍，成为纳米技术研究的成为纳米技术研究的热点热点。 国外纳米技术进展国外纳米技术进展国外纳米技术进展国外纳米技术进展移动原子移动原子世界上最小的广告世界上最小的广告 p 1990年，年，IBM公司的科学家展示了一项令世人

9、瞠目结舌的成果，他公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们们在金属镍表面用在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母三个英文字母。p 科学家在试验中发现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。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经成为现实。 移动原子移动原子世界上最小的广告世界上最小

10、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组装体系是以纳米颗粒、纳米丝或纳米颗粒、纳米丝或纳米管纳米管为基本单元在一维、二维和三维为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系，空间组装排列成具有纳米结构的体系，如如人造超原子体系、有序阵列人造超原子体系、有序阵列等。等。人工组装合成的纳米结构的体系人工组装合成的纳米结构的体系纳米齿轮纳米齿轮纳米纳米轨道状轨道状C纳米索线纳米索线纳米多层管纳米多层管C纳米管纳米管和和C60球球C纳米管纳米管多层多层C纳米管纳米管C脚手架脚手架C60晶体管晶体管国外纳米技术进展国外纳米技术进展 实心的纳米棒、纳米线、量子线实心的

11、纳米棒、纳米线、量子线材料世界中的大力士材料世界中的大力士- -纳米金属块体纳米金属块体金属纳米颗粒粉体制成块状金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料，它会变得十分结金属材料，它会变得十分结实，强度比一般金属高十几实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样倍，同时又可以像橡胶一样富于弹性。富于弹性。纳米金属铜的超延展性纳米金属铜的超延展性纳米陶瓷粉制成的陶纳米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性，高瓷有一定的塑性，高硬度和耐高温，使发硬度和耐高温，使发动机工作在更高的温动机工作在更高的温度下，汽车会跑得更度下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。快，飞机会飞得更高。纳米陶瓷刚柔并济！纳米陶瓷刚柔并济！纳米

12、陶瓷纳米陶瓷p 如果有一种超微型镊子，能如果有一种超微型镊子，能够钳起分子或原子并对它们随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意组合，制造纳米机械就容易多了。多了。p 科学家用科学家用DNA制造出了一种制造出了一种纳米级的镊子纳米级的镊子。利用它将可以利用它将可以制造出分子大小的电子电路，制造出分子大小的电子电路，使未来的计算机体积更小，运使未来的计算机体积更小，运算速度更快。算速度更快。匪夷所思的匪夷所思的DNA镊子镊子纳米存储器，存储密度可达每平纳米存储器，存储密度可达每平方厘米方厘米10万亿字节。万亿字节。国外纳米技术进展国外纳米技术进展 朗讯公司和牛津大学朗讯公司和牛津

13、大学: 纳米镊子纳米镊子 碳纳米管碳纳米管“秤秤”，称量一个病毒的重量，称量一个病毒的重量 称量单个原子重量的称量单个原子重量的“纳米秤纳米秤”机器人配备纳米机器人配备纳米“大脑大脑”美国军方日前公布了取名为美国军方日前公布了取名为“毫微科技战士毫微科技战士”研发计划，希望十年内打造出目前只能在电研发计划，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子游戏中才能看到的刀枪不入的“超级战超级战士士”。美国未来。美国未来“超级战士超级战士”可能配备的装可能配备的装备有：埋有传感器的头盔，使士兵多只后眼备有：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不至于被打

14、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；由层的军服可以抵抗生化武器袭击；由“铰合铰合分子分子”制造的比人体肌肉强壮制造的比人体肌肉强壮10倍的倍的“肌肌肉肉”，这种人造肌肉一旦装到手套、制服和，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。军靴里，跳过高墙不在话下。“纳米科技战士纳米科技战士”这种人手模型上的聚这种人手模型上的聚合体遇电会收缩弯曲，合体遇电会收缩弯曲，可装备在作战服上作可装备在作战服上作为为“辅助肌肉辅助肌肉”增强增强士兵跳跃、搬运的能士兵跳跃、搬运的能力，同时也可用于战力

15、，同时也可用于战场急救。场急救。 用纳米技术制造出防水布料。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名全副武装的美军士兵负重介于于9090到到120120磅之间。另外根据磁磅之间。另外根据磁场变化的原理，科学家们正在场变化的原理，科学家们正在研制通常状态下柔软舒适，一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旦侦测到弹道威胁时立刻强化僵硬的装甲系统。僵硬的装甲系统。 未来的美军作战服可能就是这个样子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纳米科技的战略地位 2

16、1世纪前世纪前20年，是发展纳米技术的关键时期，纳米技术将成年，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，术已经成为全世界非常关注的技术，纳电子代替微电子，纳纳电子代替微电子，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替微米尺度的生物技术。只有认识它、发展它，才有可能在。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。未来经济竞争的格局中占据主动。p 计算机技术从计算机

17、技术从20世纪世纪70年代开始，每年代开始，每57年都有一个大变化。年都有一个大变化。一是每一是每18个月个月单位面积存储信息量要增加一倍单位面积存储信息量要增加一倍，而且价格更便宜；，而且价格更便宜；二是计算机每隔二是计算机每隔57年年尺寸要缩小尺寸要缩小10倍倍，价格便宜，价格便宜10倍，同时计倍，同时计算的速度提高算的速度提高10倍。倍。p 1998年，美国明尼苏达大学率先研制出年，美国明尼苏达大学率先研制出量子磁盘量子磁盘。一个量子。一个量子磁盘只有磁盘只有100纳米大小，完全是纳米阵列，它的存储密度是纳米大小，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一

18、个量子磁盘相当于我们现在的磁盘10万个到万个到100万个。这样一万个。这样一个器件，就要用纳米材料，在纳米尺度内加工。个器件，就要用纳米材料，在纳米尺度内加工。纳米技术将成为纳米技术将成为2121世纪的主导技术世纪的主导技术节约资源、节约能源、净化环境是下一次节约资源、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省材料、能耗低。纳米技术在新的工业革命当中将发挥重要

19、的作用。命当中将发挥重要的作用。从纳米产业未来的市场发展从纳米产业未来的市场发展来看，世界各国正在纷纷抢来看，世界各国正在纷纷抢占纳米产业这个巨大的市场。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全球纳米技术产业的年产值已经接近接近1000亿美元亿美元，据估计，据估计，到，到2010年美国要培养年美国要培养80万真正懂纳米科技的人才，纳米科万真正懂纳米科技的人才，纳米科技对美国国民生产总值（技对美国国民生产总值（GDP）的贡献要达到）的贡献要达到1万亿美元，万亿美元，并提供并提供200万个就业机会。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，而产业革科技革命带来的必然结

20、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。产生和发展，一场新的工业革命即将发生。纳米科技在纳米科技在21世纪的经济舞台上将扮演举足轻重的角色世纪的经济舞台上将扮演举足轻重的角色 。“纳米经济纳米经济”“”“钱钱”途广途广纳米科技对经济发展的影纳米科技对经济发展的影响响纳米技术在美国纳米技术在美国 2010年年: 80万纳米科技人才万纳米科技人才,GDP1万亿美元万亿美元, 200万个就万个就业机会业机会 能源部的能源部的8项优先研究中，项优先研究中，6项有关纳米材料

21、项有关纳米材料 本世纪前本世纪前10年几个关键领域之一，制定了年几个关键领域之一，制定了“国家纳米国家纳米技术倡议技术倡议”: 纳米材料纳米材料 纳米电子学、光电子学和磁学纳米电子学、光电子学和磁学 纳米医学和生物学纳米医学和生物学 军工军工: 隐形飞机表面涂料、舰船表面纳米涂料隐形飞机表面涂料、舰船表面纳米涂料 美国总统布什美国总统布什2003.12.3日签署了日签署了21世纪纳米技术研世纪纳米技术研究开发法案究开发法案，批准联邦政府在从，批准联邦政府在从2005财政年度开始财政年度开始的的4年中共投入约年中共投入约37亿美元，用于促进纳米技术的研究亿美元，用于促进纳米技术的研究开发开发纳米

22、技术在日本纳米技术在日本 国会国会: 21世纪前世纪前20年的立国之本，年的立国之本，日本政府日本政府总总共投共投资资了多了多于于38亿亿美元美元在在研究上研究上 著名大企业著名大企业: 纳米实用化技术的计划纳米实用化技术的计划 三菱化工建立了三菱化工建立了(富勒烯富勒烯)纳米碳管生产线纳米碳管生产线 自洁净玻璃、光催化净化水或空气自洁净玻璃、光催化净化水或空气纳米技术在欧洲纳米技术在欧洲 第一个第一个五年五年纳米纳米科技研究科技研究(99-03)已已结束结束 第二个第二个五年五年纳米纳米科技研究科技研究(04-09)正在进行中，正在进行中，共计投入了几十亿欧元共计投入了几十亿欧元纳米技术与当

23、代中国纳米技术与当代中国 1993年，中科院操纵原子写字年，中科院操纵原子写字 国家纳米科技发展纲要国家纳米科技发展纲要2001-2010和和国家纳米科技发展国家纳米科技发展指南框架指南框架 纳米绘画艺术纳米绘画艺术 纳米中国纳米中国 p 中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在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石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中绘制出的世界上最小的中国地图。国地图。p 这幅地图到底有多小呢？打个比方吧，如果把这幅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，就相图放大到一张一米见方的中国

24、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。纳米绘画艺术纳米绘画艺术 纳米中国纳米中国 纳米技术对竞争力的提升纳米技术对竞争力的提升 能源领域能源领域：石油、煤等不可再生资源。石油、煤等不可再生资源。 环保领域：环保领域：解决水污染的问题、解决空气污染的问解决水污染的问题、解决空气污染的问题。题。 微电子微电子：纳米电子器件、纳米线、纳米电子器件、纳米线、纳米传感器。纳米传感器。 信息领域信息领域：光纤、发光器件。光纤、发光器件。纳米技术对竞争力的提升纳米技术对竞争力的提升 功能性涂料功能性涂料、薄膜：、薄膜：防静电涂料、特殊视觉涂料、

25、防静电涂料、特殊视觉涂料、紫外线吸收涂层、耐磨紫外线吸收涂层、耐磨、防腐、耐高温、耐冲刷、防腐、耐高温、耐冲刷涂层。涂层。 机械：机械：纳米结构单元和纳米机械纳米结构单元和纳米机械 结构陶瓷：结构陶瓷：增强、增韧、助烧结增强、增韧、助烧结纳米技术对竞争力的提升纳米技术对竞争力的提升 化学化工：化学化工：催化剂、助催化剂、阻燃剂等。催化剂、助催化剂、阻燃剂等。 塑料和橡胶塑料和橡胶：制品成型剂、补强剂、抗老化剂。：制品成型剂、补强剂、抗老化剂。 办公领域办公领域：复印机和激光打印机的墨粉，喷墨打：复印机和激光打印机的墨粉，喷墨打印机墨水、高级墨水。印机墨水、高级墨水。纳米技术对竞争力的提升纳米技

26、术对竞争力的提升 纳米药物纳米药物：磁性纳米粒子药物：磁性纳米粒子药物 卫生保健品卫生保健品：防晒霜：防晒霜 纺织品纺织品：反射红外线型化纤、：反射红外线型化纤、杀菌灭菌除臭型化纤杀菌灭菌除臭型化纤提升国防科技提升国防科技 纳米探测系统纳米探测系统 纳米材料提高武器打击纳米材料提高武器打击 纳米材料提高防护能力纳米材料提高防护能力 纳米机械系统制造的小型机器人纳米机械系统制造的小型机器人 雷达隐身技术雷达隐身技术 纳米卫星纳米卫星我国我国“十一五十一五”纳米科技发展重点纳米科技发展重点 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加工与表征技术

27、纳米生物医用材料：纳米生物医用材料：纳米传感器、重大疾病早期诊断纳米传感器、重大疾病早期诊断与治疗用纳米材料与器件。与治疗用纳米材料与器件。 纳米环境与能源材料：纳米环境与能源材料：环境友好与资源节约型纳米材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。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提升传统产业的纳米材料与技术 纳米级加工纳米级加工p 纳米级加工的含义纳米级加工的含义 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，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。度、纳米

28、级表面质量。纳米级加工的特点纳米级加工的特点 p 欲得到欲得到l nm的加工精度，加工的最小单位必然在亚纳的加工精度，加工的最小单位必然在亚纳米级。由于原子间的距离为米级。由于原子间的距离为0.1-0.3nm，纳米级加工实纳米级加工实际上已到加工精度的极限际上已到加工精度的极限。p 纳米级加工中试件表面的一个个纳米级加工中试件表面的一个个原于或分子原于或分子将成为直将成为直接的加工对象，因此纳米级加工的物理实质就是接的加工对象，因此纳米级加工的物理实质就是要切要切断原子间的结合断原子间的结合，实现，实现原子或分子的去除原子或分子的去除。纳米级加工方法纳米级加工方法p 纳米级加工的主要方法纳米级

29、加工的主要方法：直接利用光子、电子、离子直接利用光子、电子、离子等基本能子的加工。等基本能子的加工。p 近年来纳米级加工有很大的突破，例如：用近年来纳米级加工有很大的突破，例如：用电子束光电子束光刻和离子刻蚀，刻和离子刻蚀，己实现己实现0.1 m线宽的加工；扫描隧道线宽的加工；扫描隧道显微技术已实现单个显微技术已实现单个原子的去除、搬迁、增添和原子原子的去除、搬迁、增添和原子的重组。的重组。微米与纳米加工技术可达的水平微米与纳米加工技术可达的水平目前主要目前主要纳米级加工方法纳米级加工方法： 纳米级机械加工纳米级机械加工 电子束和离子束加工电子束和离子束加工 扫描隧道显微加工技术等扫描隧道显微

30、加工技术等一、纳米级机械加工一、纳米级机械加工p 金刚石刀具超精密切削加工有色金属和非金属金刚石刀具超精密切削加工有色金属和非金属可能获得可能获得Ra(0.02-0.002) m的镜面，刀具仔细研磨的镜面，刀具仔细研磨时可切时可切 l nm切削厚度的切屑。主要用切削厚度的切屑。主要用平面、圆柱面平面、圆柱面和非球曲面的镜面加工。和非球曲面的镜面加工。 p 最近新发展的金属结合最近新发展的金属结合剂砂轮的剂砂轮的在线电解修整砂在线电解修整砂轮的轮的ELID镜面磨削技术镜面磨削技术可以加工出可以加工出Ra(0.02-0.002) m的镜面。的镜面。p 精密研磨抛光可以加工出精密研磨抛光可以加工出R

31、a(0.01-0.002) m的镜面。的镜面。量块、集成电路的硅基片等都是用精量块、集成电路的硅基片等都是用精密研磨得到高质量表面密研磨得到高质量表面。 二、电子束、离子束和激光加工二、电子束、离子束和激光加工p 可用于刻蚀、打孔、切割、焊接、表面处理和表面改可用于刻蚀、打孔、切割、焊接、表面处理和表面改性等性等p 电子束加工时，被加速的电子将其能量转化成热能以电子束加工时，被加速的电子将其能量转化成热能以去除穿透层表面的原子，电子束可以聚焦成很小的束去除穿透层表面的原子，电子束可以聚焦成很小的束班班(中中0.1 m)，照射敏感材料，用，照射敏感材料，用电子刻蚀可加工出电子刻蚀可加工出0.1

32、m的线条宽度而在制造集成电路中实际应用的线条宽度而在制造集成电路中实际应用。电子束和离子束加工电子束和离子束加工p 离子束加工时，因离子直径为离子束加工时，因离子直径为0.1n m数量级数量级，故可以直接将工件表面原子碰撞出去达到，故可以直接将工件表面原子碰撞出去达到加工的目的。用聚焦的离子束进行刻蚀，加工的目的。用聚焦的离子束进行刻蚀，可可以得到精确的形状和纳米级的线条宽度以得到精确的形状和纳米级的线条宽度。电子束加工电子束加工p 电子束利用热效应加工电子束利用热效应加工 高速和高能量密度的电子束冲击工件表面，在几分之一秒内与原字相互作用。 电子与原子碰撞，使原子振动产生发热现象 几乎所有的

33、能量都转化为热能。 由于电子束能量密度高，作用时间短，所产生的热量来不及传导、扩散就将工件被冲击部分局部熔化、汽化、蒸发成雾状粒子而飞散。电子束加工原理图控制栅极加速阳极电子束斑点旁热阴极聚焦系统工件工作台电子束加工电子束加工p 电子束加工特点电子束加工特点 束径小，能量密度高，能微细聚焦（0.01m），适合于加工深孔、细深孔、窄缝。 热影响范围小，适合于硬、脆、软、韧金属和非金属材料、热敏材料、半导体材料、易氧化材料等加工。原则上各种材料均能加工，特别适用于加工特硬、难熔金属和非金属材料。 加工速度快，效率高。非接触加工，无工具损耗；无切削力，加工时间极短，控制性能好，易于实现自动化。 可用

34、于打孔、切槽、焊接、光刻、表面改性。 在真空中加工，无氧化，特别适于加工高纯度半导体材料和易氧化的金属及合金。加工设备较复杂，投资较大。多用于微细加工离子束加工离子束加工p 离子束利用力效应加工离子束利用力效应加工 离子质量远远大于电子，加速较慢，但一旦加速后，具有远远高于电子的能量。 质量大、动能高的离子冲击工件表面，将产生弹性碰撞，将能量传递给工件的原子和分子，使原子和分子产生溅射，被抛出工件表面。 离子束穿透能力强，被加工表层几乎不产生热量，不引起机械应力和损伤。 将被加速的离子聚焦成细束，射到被加工表面上。被加工表面受“轰击”后，打出原子或分子，实现分子级去除加工。离子束溅射去除加工离

35、子束溅射去除加工惰性气体入口阴极中间电极电磁线圈阳极控制电极绝缘子引出电极离子束聚焦装置摆动装置工件三坐标工作台离子束去除加工装置离子束溅射镀膜加工离子束溅射镀膜加工 用加速的离子从靶材上打出原子或分子，并将这些原子或分子附着到工件上，形成“镀膜”。 溅射镀膜可镀金属，也可镀非金属。 由于溅射出来的原子和分子有相当大的动能，故镀膜附着力极强（与蒸镀、电镀相比）。 离子镀氮化钛，即美观，又耐磨。应用在刀具上可提高寿命1-2倍。离子束源靶溅射材料溅射粒子工件真空离子束溅射镀膜加工离子束溅射镀膜加工p 离子束加工特点离子束加工特点 是一种以原子、分子为加工单位的加工方法。 加工精度和表面质量高，可达

36、纳米级。 可对各种材料进行加工。 控制性能好，易于实现自动化。 应用广泛，如：粒子束溅射去除加工、粒子束溅射镀膜加工、离子束注入加工等。激光束加工激光束加工p 激光束利用热效应加工激光束利用热效应加工 激光光斑大小可聚焦到微米级。 激光束照射工件，光能被吸收，转化为热能，产生瞬时高温、局部熔化、汽化。 激光束加工是非接触加工，没有力的作用，没有工具，加工速度快。 与电子束和离子束加工比较，激光加工装置简单，无需真空系统。电源p 激光束加工特点激光束加工特点 加工精度高，激光光斑直径可达1m一下。 加工材料范围广，可对各种材料进行加工。 速度快、效率高。 控制性能好，易于实现自动化。 应用广泛，

37、如：激光打孔、激光切割、激光微调、激光表面改型、激光存贮、激光测量、激光焊接、激光热处理等。三、扫描隧道显微加工技术三、扫描隧道显微加工技术p 扫描隧道显微扫描隧道显微STM (Scanning Tunneling Microscope) 加工技术是纳米加工技术中的最加工技术是纳米加工技术中的最新发展，新发展，可实现原子、分子的搬迁、除、增可实现原子、分子的搬迁、除、增添和排列重组，可实现极限的精加工，原子添和排列重组，可实现极限的精加工，原子级的精加工级的精加工。扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜1981年由在年由在IBM瑞士苏黎世实验室瑞士苏黎世实验室工作的工作的G.Binning 和和 H.R

38、ohrer 发明。被列为发明。被列为20世世纪纪80年度世界十大科技成果之一，年度世界十大科技成果之一，1986年因此获诺年因此获诺贝尔物理学奖贝尔物理学奖。扫描隧道显微扫描隧道显微（STM）STM工作原理：工作原理：基于量子力学的隧道效应。基于量子力学的隧道效应。扫描隧道显微加工原理扫描隧道显微加工原理p当两个电极之间的距离缩短到1nm时，由于量子力学中粒子的波动性，电流会在外加电场作用下，穿过绝缘势垒，从一个电极流向另一个电极。用探针在试样表面扫描时，可得到表面的纳米级三维表面形貌。STM发明最初是用于测量试样表面纳米级形貌。p当扫描隧道显微镜的探针对准试件表面某个原子并非常接近时，由于原

39、子间的作用力，探针针尖可以带动该原子随针尖移动，而不脱离试件表面，实现试件表面原子搬迁。 扫描隧道显微加工技术扫描隧道显微加工技术p STM的加工精度要比传统的光刻技术高的多的加工精度要比传统的光刻技术高的多。在。在当今高科技产业飞速发展的时代，由于各种器件当今高科技产业飞速发展的时代，由于各种器件的集成度越来越高，传统的毫微米加工技术已经的集成度越来越高，传统的毫微米加工技术已经接近理论的极限，因此，纳米加工技术的出现无接近理论的极限，因此，纳米加工技术的出现无疑给人们带来了希望。疑给人们带来了希望。扫描隧道显微镜示意图扫描隧道显微镜示意图 图 STM工作过程演示STM图 STM实物照片 扫

40、描器检测电路a）输出试件运动轨迹关键技术：关键技术：（1）STM探针探针金属丝金属丝经化学腐蚀，在腐蚀断裂瞬经化学腐蚀，在腐蚀断裂瞬间切断电流，获得尖峰，曲间切断电流，获得尖峰，曲率半径为率半径为10 nm左右。左右。STM针尖 为解决非导体微观表面形貌测量，借鉴STM原理，C.Binning 于1986年发明原子力显微镜。当两原子间距离缩小到 级时，原子间作用力显示出来，造成两原子势垒高度降低，两者之间产生吸引力。而当两原子间距离继续缩小至原子直径时，由于原子间电子云的不相容性，两者之间又产生排斥力。AFM两种测量模式：接触式探针针尖与试件表面距离0.5nm，利用原子间的排斥力。由于分辨率高，目前采用较多。其工作原理是：保持探针与被测表面间的原子排斥力一定，探针扫描时的垂直位移即反映被测