化学机械抛光材料分子去除机理的研究

考虑磨粒黏着力、芯片表面缺陷和表面氧化薄膜厚度以及磨粒/抛光垫大变形的条件下, 通过量级估算的方法研究了分子量级的化学机械抛光(CMP)材料去除机理. 理论分析和试验研究结果表明: 磨粒压入芯片的深度、磨粒在芯片表面的划痕深度以及抛光后芯片表面的粗糙度都在分子量级或者更小. 因此, 分子量级的CMP材料去除机理得到了理论分析和试验数据较为广泛的证实. 此外, 随着磨粒直径的减小, CMP材料分子去除机理成为CMP机理研究中富有活力的新分支. 该研究对于证实分子量级的CMP材料去除机理具有较大的意义, 同时该结果对进一步CMP微观去除机理的研究具有理论科学意义.     

非接触化学机械抛光的材料去除模型

探讨了化学机械抛光中抛光垫和晶片处于非接触状态下的材料去除机理, 认为磨粒对材料的去除贡献主要是通过犁削作用而实现的. 并在此基础上发展了一个用来预测抛光垫和晶片处于非接触状态下材料去除率(MRR)的新模型. 通过与实验数据的比较, 该模型对非接触状态下MRR的变化有较好的预测效果. 模型的数值模拟表明: 晶片的相对速度u与流体黏度h是影响非接触状态下MRR的最主要的两个因素; 晶片所受载荷w_z的变化对MRR也有影响, 但影响的效果和相对速度与流体黏度相比不明显; 当磨粒半径r≤50 nm时, 可以忽略磨粒尺寸的变化对MRR的影响.     

超光滑光学表面的磁性类Bingham流体确定性抛光

利用磁性抛光介质在梯度磁场作用下呈现出具有粘塑性的类Bingham流体的特点, 实现了对具有超光滑表面精度要求(表面粗糙度一般低于0.5 nm)的光学元件, 特别是应用于接近衍射极限的短波段光学元件的确定性抛光. 磁流体与被抛光工件间的相对运动导致工件表面抛光区域产生较强的剪切力, 从而去除工件表面材料. 通过控制梯度磁场的敏感参量如磁场强度、磁极间距等获得磁场中类Bingham流体形成柔性抛光带的形状及工作状态的实时响应. 去除函数和去除率曲线反映了磁流体抛光符合经典Preston抛光模型, 并突出体现确定性去除这一特点. 磁流体抛光全过程中去除函数向外周呈稳定的高斯分布状光滑渐变化趋势. 抛光结果表明, 配制成功的初始粘度0.5 Pa·s的标准磁流体抛光液可实现对超光滑光学元件确定性抛光, 弥补传统接触式或压力式光学抛光呈现较大下表面破坏层、去除确定性不高等缺点, 抛光35 min后工件表面粗糙度由最初17.58 nm收敛到0.43 nm.     

超精密表面抛光材料去除机理研究进展

化学机械抛光(Chemical-Mechanical Polishing, 简称 CMP)是目前提供全局平面化最理想的技术, 在超精密表面加工领域得到了大量研究和应用. 概述了超大规模集成电路(Ultra-large Scale Integration, 简称ULSI)多层布线中硅片、介电层和金属材料以及磁头/硬盘片化学机械抛光材料去除机理的研究现状和发展趋势, 重点评述了化学机械抛光过程中抛光液研磨颗粒与抛光片表面间相互作用机制, 并提出了材料去除机理的研究方法.     

碳钢空蚀磨粒形态特征与空蚀阶段的关系

对3种不同含碳量的碳钢进行振动空蚀实验, 收集空蚀过程中产生的磨粒, 对磨粒形态特征进行量化表征和显微观察, 结合空蚀表面的XRD检测结果和显微图像进行分析, 发现表面材料沿滑移面变形或解理导致整个空蚀过程中的片状磨粒较多(超过45%), 条状磨粒一直较少(少于25%), 而颗粒状磨粒数量开始较少, 在空蚀加速阶段迅速增加, 到空蚀稳定期又略有减少. 磨粒的球形度值的变化与材料的空蚀阶段有较好的对应关系. 空蚀初生期和加速期的磨粒球形度值分别在0.3~0.4和0.5~0.7之间. 到空蚀稳定期, 球形度值略有下降但不低于0.5.     

低维金属卤化物的结构与光学调控:化学合成与物理高压

金属卤化物作为一类新型光电材料,在发光二极管、太阳能电池、光电探测器、激光器等领域具有重要的应用前景.其晶体结构丰富且易被调节,通过在分子尺度上的控制,可由三维(3D)逐渐扩展至二维(2D)、一维(1D)及零维(0D).与三维金属卤化物相比,低维金属卤化物通常展现出更大的结构扭曲、更强的量子限域效应以及显著提升的激子结合能,使其成为在照明和显示领域备受关注的高效发光材料.现阶段,低维金属卤化物结构和光学性调控在依赖于传统化学手段的同时,也能够通过高压等物理手段完成.与传统化学调控手段不同,高压技术能够在不改变化学组分的前提下,对金属卤化物的结构和性能进行连续调制.本文首先介绍了传统化学手段对金属卤化物的结构和光学性质调控,随后讨论了高压技术在金属卤化物结构演变和光学性质优化方面的应用,重点阐述了其结构与光学性能之间的内在联系.本文为发光低维金属卤化物的合理设计与精准合成提供了重要的思路.     

新型络合物高效非线性光学材料——CMTC晶体

利用双重基元模型和分子工程方法,研究探索出一种可用于半导体激光(LD)直接倍频的新型络合物型高效非线性光学材料——硫氰酸汞镉(CMTC)晶体.本文第1次报道采用降温法自混合溶剂中生长CMTC单晶.对该晶体的结构、光学及非线性光学性能进行了较全面的研究.在络合物材料中,CMTC首次实现了半导体激光室温下直接倍频,获毫瓦级高效蓝紫光输出.     

细菌视紫红质基因工程点突变体BR-D96V的获取及其与合成高分子聚乙烯醇的功能性复合材料的制备

细菌视紫红质(BR)是嗜盐菌质膜上的一种跨膜蛋白质,具有独特的光学响应,与合成高分子材料的复合有望提供一种信息功能材料.制备了第96位天冬氨酸被缬氨酸取代的BR突变体BR-D96V及其高分子复合膜,并进行了相关基础研究.通过基因工程方法,在本身不表达BR的嗜盐菌L33中实现了新突变体BR-D96V的表达.尽管缬氨酸侧链具有强疏水性,取代天冬氨酸后的蛋白质仍然具有光学响应,但与野生型BR相比,中性的盐溶液环境中突变体BR-D96V的M态寿命延长近两个数量级,有利于未来作为信息材料使用.将此突变体蛋白质与合成高分子聚乙烯醇(PVA)均匀混合后制备得到蛋白质/聚合物复合功能膜,M态寿命比液体条件下又有显著的延长.还发现BR-D96V中间态的寿命对于体系的含水量具有较高的敏感性.     

面向工业废水处理的催化电极及燃料电池耦合体系

随着我国工业化水平的提高,工业废水的高效节能处理成为废水资源化与能源化进程中的重点和难点.工业废水中常含有难降解或有毒的有机污染物,水质复杂、可生化性差,采用传统废水处理技术(生物法、物化法等)难以实现高效处理和达标排放,残留毒物排入水体带来环境生态风险.电化学技术借助电场作用产生强氧化性物质,氧化去除难降解有机污染物,但去除效率较低、能耗及运行成本较高,限制了其在实际废水处理中的应用.高活性催化电极在结构、形貌、组成的优化进展,为构建以难降解污染物为燃料的新型燃料电池及废水处理体系提供了新的可能.本文围绕催化电极及燃料电池废水处理体系,综述了新型电极材料的制备、优化,探讨了基底、活性成分及其负载方式对催化电极和体系性能的影响;归纳了基于光催化燃料电池和微生物燃料电池的污染物催化降解及实际或模拟废水处理体系的研究进展,并对该类耦合体系的规模化应用作了展望.新型催化电极的开发和耦合燃料电池体系的优化设计,有望推动该技术在高效、节能实际(工业)废水处理中的应用.     

固体废物无害化精准定量评估及科学启示:以典型工业废物为例

日益激增的固体废物与环境安全、资源安全、产业安全密切相关,无害化是固体废物管理的根本目的,如何对其进行精准定量评估一直未得到有效解决.本研究利用可去除性刻画无害化,基于统计熵理论和有害物质污染分级,对典型工业固体废物中有害物质可去除性进行理论核算,定量评估了当前技术条件下固体废物无害化和资源化的边界.结果显示,典型工业固体废物可去除性范围为11～66 bit^-1;有害物质种类、稳定性及含量对可去除性影响明显,固体废物中有害物质的稳定性较高,需要额外供给能量改变其物相组成或价态,使其更易富集脱除或固化稳定,但去除性的提升具有效率限制,临界值与初始可去除性相关;对比矿床开采最低工业品位,发现工业废物中50%以上有害物质的可去除性低于最低工业品位条件下的可去除限值;现有技术下,只有金尾矿、钢渣、粉煤灰等6种工业废物去除指数大于0,适宜采用物质回收的方式实现有害物质去除,通过资源化途径降低固体废物的环境属性,其余工业废物环境属性较强,无法通过该方式实现有害物质去除或不具备经济可行性.工业废物中有害物质可去除性差异小,难以通过同一技术进行定向分离去除.因此,应将环境属性纳入...     

大型工业建筑中高温含尘气流的流动规律及控制方法

在工业生产中,粉尘是最主要的有害物形式,对建筑空气环境质量和作业工人健康的危害最大,尘肺病近年来一直呈现非常高的增长率,且占新增职业病病例总数的80%以上.在大型工业建筑中,室内粉尘释放量大,强污染源与强热源经常并存,室内气流流动影响因素复杂.为提高大型工业建筑室内环境质量并降低工业建筑能耗,必须依据高温含尘气流流动特性,进一步提高工业通风系统对粉尘的控制能效.本文介绍了模型实验和数值模拟两类研究手段用于工业建筑高温含尘气流研究的基本方法,分析了两者在不同研究内容方面的适用性以及相互补充关系.以大型冶金钢铁企业厂房为例,分别通过模型实验和数值模拟手段,针对大型工业建筑的典型源项特点和限制条件,阐明了高温含尘气流流动的基本特性,揭示了通风系统风量与捕集效率之间的非线性规律,分析了两类研究手段的相互补充关系,提出了提高含尘气流捕集效率的途径.通过案例分析表明,利用不断发展的实验测试条件和数值模拟技术,将有助于完善精细化设计的基础理论,并推动相应的高效通风技术应用于工程实际.     

第一性原理分子动力学计算核幔边界条件下Ni的结构和动力学性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学计算了在地幔与外地核(核幔)边界条件下Ni的结构和动力学,发现在核幔条件(4000K,139GPa)下,Ni是一种液态结构.常压下液态Ni的原子排列主要是二十面体序,在压强的作用下,二十面体序有一个增加的过程,当压强大于68GPa后,二十面体序的增强过程发生逆转,大量的完整二十面体结构受到破坏,缺陷二十面体急剧增加.核幔边界条件下的液态Ni形成了一种由完整二十面体、缺陷二十面体、面心以及密排六方等其他原子排列方式并存的复杂结构.我们计算了液态Ni的扩散系数,其数量级大约为109m2/s,与相应条件下Fe的扩散系数的数量级相同.由于核幔边界条件下的高压作用,液态Ni原子比常压和低压下的Ni原子扩散得更慢,且在弛豫过程中出现了β弛豫.     

转角双层MoS2莫尔超晶格中接近室温的关联电子态

<正>通过转角或晶格失配构造二维范德华材料莫尔超晶格为凝聚态物理、材料物理、光学等领域的研究注入了新的活力.过去几年的理论和实验工作表明^[1～5],二维材料莫尔超晶格系统是研究和调控强关联与拓扑量子物态的理想平台.具体而言,基于多种二维半导体过渡金属硫族化合物莫尔超晶格,研究者先后实现了包括莫特绝缘体、强关联电子晶体态、近藤晶格、量子自旋霍尔效应、整数与分数量子反常霍尔效应等在内的一系列强关联和拓扑量子物态.     

第一性原理分子动力学计算核幔边界条件下Ni的结构和动力学性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学计算了在地幔与外地核(核幔)边界条件下Ni的结构和动力学, 发现在核幔条件(4000 K, 139 GPa)下, Ni是一种液态结构. 常压下液态Ni的原子排列主要是二十面体序, 在压强的作用下, 二十面体序有一个增加的过程, 当压强大于68 GPa后, 二十面体序的增强过程发生逆转, 大量的完整二十面体结构受到破坏, 缺陷二十面体急剧增加. 核幔边界条件下的液态Ni形成了一种由完整二十面体、缺陷二十面体、面心以及密排六方等其他原子排列方式并存的复杂结构. 我们计算了液态Ni的扩散系数, 其数量级大约为10^-9 m²/s, 与相应条件下Fe的扩散系数的数量级相同. 由于核幔边界条件下的高压作用, 液态Ni原子比常压和低压下的Ni原子扩散得更慢, 且在弛豫过程中出现了β弛豫.     

300M高强钢大型构件全流程锻造变形机理及工艺研究进展

高强钢大型构件是国防工业和国民经济中高端装备的关键承力构件,其质量直接关系着高端装备的使用性能及服役安全.高强钢大型构件往往结构尺寸大、形状复杂,锻造成形过程中变形道次多,使得在变形过程中材料的软化机制多且复杂、温度分布差异大、流动行为难控,进而使得其形性协调难控制.因此,有必要开展高强钢大型构件锻造中的变形机理及工艺研究.本文综述了本团队联合中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司(下文简称“二重万航”),围绕高强钢大型构件全流程锻造变形机理及工艺所做的研究工作.在机理方面,讨论了高强钢大型构件全流程锻造微观演化机制及宏微观建模与模拟.在工艺方面,讨论了材料热加工性能评估方法、毛坯-预锻件联合优化设计方法及局部控温控流工艺.在应用方面,介绍了二重万航基于上述理论指导及技术支持,实现不同机型起落架外筒及活塞杆成功研制实例,突破了大型构件整体模锻技术所面临的难题.最后对大型构件锻造机理及工艺进行了总结和展望.     

界面光蒸汽转化研究进展

光热转化作为一种太阳能利用方式,由于其相对高效、低成本的特点,一直以来被广泛关注与研究.近年来,界面光蒸汽转化作为一种新型光热转化机制,借助微纳结构材料设计及光学、热学有效调控,将太阳能充分吸收并将能量转化局域到气-液界面,从而使得光-蒸汽能量转化效率有效提高,并因此被认为是一种极具前景的高效太阳能光热转化途径.本文介绍了界面光蒸汽转化的相关机制,包括光吸收、热管理和水输送,并展示了通过一系列微纳结构材料设计来提高其能量转化效率的最新研究进展;随后介绍了目前基于界面光蒸汽转化的一些主要应用;最后对界面光蒸汽转化的未来发展方向进行了展望.     

一个非线性光学现象——激光激发的金属蒸汽产生的反常锥辐射

激光器的出现使人们获得了前所来有的高单色性、高相干性的强光束.当这种强光束通过介质时,人们可以观察到许多新的奇特现象.例如光的自陷、光的自聚焦等.研究表明这些现象均与介质在强光束下介电性质的非线性有关.非线性光学是研究介质与     

表面等离子体超衍射光学光刻

由于光波衍射特性,传统光学光刻面临分辨力衍射极限限制,成为传统光学光刻技术发展的原理性障碍.表面等离子体(surface plasmon,SP)是束缚在金属介质界面上的自由电子密度波,具有突破衍射极限传输、汇聚和成像的独特性能.近年来,通过研究和利用SP超衍射光学特性,科研人员提出和建立了基于SP的纳米干涉光刻、成像光刻、直写光刻等方法,在紫外光源和单次曝光条件下,获得了突破衍射极限的光学光刻分辨力.目前,基于SP成像结构,实验中获得了22 nm(~1/17波长)最高SP成像光刻线宽分辨力水平.SP将为发展高分辨、低成本、高效、大面积纳米光学光刻技术提供重要方法和技术途径.本文系统综述了SP光学光刻技术研究发展情况,总结和分析了技术发展现状、存在问题,并对其发展趋势和前景进行了展望.     

刺激响应型稀土智能发光材料在光学编码及生物医学中的应用

刺激响应型材料作为智能材料的一个重要分支已经成为众多领域中极为重要的一部分.刺激响应型智能发光材料是指光学性质能够对外界环境的物理或化学信号做出响应的材料.外界条件的刺激主要包括光、热、pH、电场、磁场、力、分子等.基于稀土离子的智能发光材料由于其独特的光学性质,比如较窄的发射峰宽度、较长的发光寿命、较大的斯托克斯位移等,在化学、生物学、逻辑学展现了极为丰富的应用潜力.近年来,通过对分子结构及纳米材料的设计得到的具有刺激响应性的稀土智能发光材料在光学信息存储、生物传感、成像及药物递送等方面都吸引了研究者的广泛关注.本文概括了近年来刺激响应型稀土智能发光材料在光学编码及生物医学领域中的应用,并展望了这种智能发光材料的应用前景.     

基于磁流体的流量传感理论及实验研究

磁流体流量传感器是磁流体的一个很重要的应用方向.通过计算在层流和紊流状态下被测液体流量值与U型管两端输入压强差之间的关系,得出在层流时被测液体流量与压差成正比,而在紊流时流量与压差不成线性关系.对U型管两端线圈电感、线圈两端电势差的计算,最终得出输出电势差与流量成正比关系,与线圈长度的平方成反比关系,同时通过实验进一步验证了在层流状态下磁流体流量传感器设计研究的可行性.