纳米压印加工技术发展综述

纳米技术是一项有望为21世纪人类生活的各个方面带来革命的技术。纳米技术不是在一夜之间产生出来的；它是在业已发展多年的、为我们带来了微芯片和其它微米产品的基础上产生的。任何纳米技术均依赖通过纳米加工技术将物体加工至纳米尺度。许多具有100纳米以下加工能力的技术已被开发出来。纳米压印技术就是其中的一项很有希望的技术；它具有低成本、高产量和高分辨率的特点。本文对纳米压印技术的发展进行了综述，描述了纳米压印的基本原理，然后对近年的新进展进行了介绍，并特别强调了纳米压印的产业化问题。我们希望这篇综述能够引起国内工业界和学术界的关注，并致力于在中国发展纳米压印技术。     

纳米切削机理及其研究进展

纳米切削技术具有广阔的应用前景,是纳米精度加工,尤其是纳米精度复杂面型加工的重要手段,对整个先进制造业的发展起着重要的支撑作用.建立完整成熟的纳米切削基础理论进而发展高效率、低损伤的可控纳米切削技术是未来先进制造业发展的迫切需求.本文从纳米切削机理研究的常用手段、纳米切削模型、切削极限以及典型材料纳米切削理论及其关键技术等方面,综述了该领域的国内外研究现状及主要成果,并简要介绍了本项目组所开展的相关研究工作.最后对纳米切削机理研究存在的挑战进行了总结和展望.     

凝聚相中纳米粒子的自组装

低维纳米材料的研究是当前材料科学与其它学科交叉的前沿领域。为了降低制造成本以便工业生产某些具有特殊功能的人造分子和纳米器件，必须寻找在液相中大量复制和组装它们的技术。在液相中制造纳米粒子有两个最重要的问题需要解决。一是粒子在溶液中的稳定性；二是颗粒度和结构的控制。其中三维有序结构的构建是制造纳米分子器件的首要总是。本文简介国徽法合成金属纳米粒子的原理及其自组装条件的控制，并进一步阐述如何利用脉冲辐解研究其成核反应动力学。     

走向市场化的新型纳米材料—纳米胶囊

本文扼要地讨论了纳米胶囊的制备技术,介绍纳米尺度的胶囊在纳米无机粒子的表面修饰,改善两相体系的相容性方面所起到的作用,及作为载体在药物释放方面的应用。     

基于原子力显微镜的阳极氧化技术及其在碳纳米管氧化切割与焊接中的应用

探针阳极氧化是构建纳米结构,制造纳米器件的重要技术之一,本文对该技术中基于原子力显微镜（AFM）的阳极氧化进行了新的研究．通过对氧化加工中微观电场在基底表面分布情况进行模拟,分析了氧化结构的特征与电场分布的关系,通过实验研究分析了不同加工因素对氧化加工的影响．在这些研究基础上利用AFM阳极氧化技术实现了对碳纳米管（CNT）的氧化切割及焊接,为CNT基纳米器件的装配及制备提供了新的技术途径．     

大面纳米积压印揭开式脱模建模与模拟

大面积纳米压印是一种高效、低成本和批量化制造大面积微纳米结构的方法,已经被看作最具有工业化应用前景的微纳米制造方法之一.脱模是当前大面积纳米压印所面临的最大挑战性问题,是制约大尺寸晶圆级纳米压印进入工业化应用最大的瓶颈.＂揭开＂式脱模已经被认为是实现大面积纳米压印最为有效的一种脱模方法,本文开展了大面积纳米压印揭开式脱模理论建模和数值模拟的研究.基于应变能法,并结合脱模过程中能量的守恒,建立了＂揭开＂式脱模预估脱模力理论模型.以光栅图形垂直式脱模为例,建立了目前工业界广泛采用的气体辅助揭开式脱模在脱模过程中所需气压脱模力理论模型.利用ABAQUS工程模拟软件,揭示了模具材料特性、特征图形几何参数对于＂揭开＂式脱模影响规律.该研究为大面积纳米压印工艺奠定重要理论基础,并为晶圆级纳米压印工艺优化和压印装备开发与性能的改进提供理论基础和方向性指导.     

非球面纳米精度可控柔体制造技术

非球面被广泛应用于光学系统,其可被用来整形像差,改善画质,同时使光学系统更为紧凑,要求其具有纳米级面形精度与低吸收光学性质.目前超精密制造过程中,以恒定的去除函数解算面形误差,而光学表面误差分布复杂,针对不同频段与高度误差需迭代多次.针对这一问题,本研究团队提出了可控柔体制造技术,即去除函数随不同误差分布可控改变.本团队基于该理念,将传统连续出射的离子束可控离散,实现脉冲离子束超高分辨修形,并用于表面原子结构的光学性质调控,同时对于中频误差,以去除函数主动可控旋转的方式实现亚纳米级中频抑制技术,最后以大口径单晶硅为例,使用子孔径拼接技术完成了大口径非球柱面反射镜测量,实现了非球面镜的纳米精度可控柔体制造.本文结合本研究团队近几年的最新研究成果,总结了非球面可控柔体制造技术,通过探讨其发展现状,为非球面镜的纳米制造技术的发展提供参考.     

基于电喷印集成制造阵列化嵌金属电极柔性微流体管道

微流控芯片在生物、化学、医学等领域受到了研究者们的广泛关注,尤其是含有金属电极的微流体管道在毛细电泳、电化学微量检测、生物医学工程和柔性电子领域具有广泛的需求前景.文章提出了一种简单按需制备阵列化嵌金属电极柔性微流体管道的方法.该方法基于电喷印直写技术并结合翻模和湿法刻蚀工艺,实现了嵌金属电极柔性微流体管道阵列的制备.首先,通过在线性转动接收基底上叠加直写聚乙烯醇(PVA)纤维,制备了可嵌入聚二甲基硅氧烷(PDMS)的表面光滑的线性凸起微结构(线宽为10～100μm,高宽比可大于1:2),并以此作为模板,实现了阵列化柔性微流体沟道的制造;其次,通过在平动接收基底上直写光刻胶作为保护层,并结合湿法刻蚀工艺,实现了在含有微流体沟道阵列的柔性基底上金属图案化导电电极(线宽低至5μm)的灵活制造;最后,对通入不同浓度盐溶液的微流体管道进行电学测试,验证了其管道的导通性和金属电极的导电性.结果表明:基于电喷印的集成制造流程可以灵活、简单、高效、低成本的按需加工阵列化嵌金属电极柔性微流体管道,有望应用在生物医学工程和柔性电子等领域.     

用于TEM原位拉伸实验的集成单晶硅纳米梁MEMS测试芯片研究

透射电镜内的原位拉伸测试是研究纳米尺度的单晶硅材料的力学性质的一种很有发展前景的研究方法．开展了集成单晶硅纳米梁的微电子机械系统测试芯片的设计、制作,并完成了原位拉伸的测试实验．集成的微电子机械系统芯片由基于静电梳齿结构的驱动器、测力悬梁、单晶硅纳米梁及电子束透射窗等结构构成．利用SOI硅片和普通硅片采用体硅微加工工艺及硅键合工艺加工完成了芯片制造．通过透射电镜样品杆上的电极与微电子机械系统芯片导通,实现了对静电梳齿结构的驱动,完成了与其相连的单晶硅纳米梁的拉伸观测．对此微电子机械系统芯片的测试实验结果表明,随着驱动电压的增加,单晶硅纳米梁逐渐被拉动,原位拉伸实验得到了该纳米梁的应力．应变关系,对实验结果拟合后得到杨氏模量值为161GPa,在误差范围内与体硅一致．     

电力网的尺度问题——从纳米到太空尺度

探讨了电力网的尺度问题,阐述了国际微电网的发展态势,并基于纳米尺度发电机、太空尺度太阳能发电站以及黑洞发电机等电力获取途径,特别论述了两种超常规的电网:纳米尺度电网和太空尺度电网.进一步地,还应用复杂网络理论分析了纳米尺度电网和太空尺度电网的固有属性,为其未来的设计规划做了一定程度的铺垫.     

纳米CMOS工艺下集成电路可制造性设计技术

简要讨论纳米CMOS工艺下集成电路的可制造性设计（DFM）技术.首先讨论纳米CMOS中与制造性有关的工艺和器件问题,然后探讨DFM需要的工艺和器件建模工作.最后对包括有可制造性设计技术的集成电路设计流程和能较好地在大规模集成电路设计环境中开发设计/制造交互界面的有关EDA做简单介绍.     

钴及其化合物一维纳米材料的制备研究进展

本文介绍了钴及其化合物一维纳米材料,如纳米线、纳米棒和纳米管的制备方法及其最新研究进展,包括热分解法、模板法、分子自组装、固相合成法和化学溶液法等。并预测了未来的可能的发展方向。     

纳米科学和技术的二次浪潮

在过去的十年里纳米科学的首次浪潮澎湃而过。在此期间，国际、国内以及香港的学者已向世人证实他们可以采用“build-up”或“build-down”的办法制造大量的纳米管，纳米线以及纳米团簇，这些努力已经表明，如果纳米结构能够低廉地制造，那我们就会有更丰硕的收获。尺度小于20纳米的结构会展现非经典的性质，这提供给我们一个用全新的想法来制造功能器件的基础。在半导体工业，制造结构尺寸小于70纳米器件的能力允许器件的持续微型化。在下一个10年中，纳米科学和技术的另一次浪潮将可能来临，在这个新时期，科学家和工程师需要展示人们对纳米结构的期待功能以及证实他们的进一步的潜力，拥有在纳米结构实际器件的尺寸、组份，有序和纯度上的良好控制能力将实现人们期望的功能，在本文中，我们将讨论纳米科学和技术在新时期里发展所面对的困难和挑战。一系列新的方法将被讨论。我们还将讨论倘若这些困难能够被克服我们可能会有的收获。     

先进材料与高性能零件快速凝固激光加工研究进展

金属材料快速凝固激光表面加工与高性能金属零件快速凝固激光成形技术,是材料科学与工程及先进制造技术交叉学科前沿热点研究领域之一.本文介绍了作者所在实验室近年来在先进高温耐磨耐蚀金属间化合物多功能涂层新材料快速凝固激光熔覆合成/制备技术、钛合金及高温合金等高性能金属零件快速凝固激光成形技术等领域的研究进展,主要内容包括:激光熔覆高温耐磨耐蚀多功能金属间化合物涂层、钛合金及高温合金高性能零部件激光快速成形、难熔高活性金属材料及定向生长柱状晶钛合金激光约束熔铸成形技术等.     

美科学家制成纳米导线集成电路

美国哈佛大学研究人员说，他们借助低温制造技术，用纳米导线在一块玻璃芯片上制造了最基础的集成电路——时钟振荡电路。这一技术既不需要高温，也不需要硅芯片，将来可能取代硅芯片集成电路制造技术。     

功能纳米材料-金属及其化合物纳米粒子功能化的胶体微球的合成

由于金属及其化合物纳米粒子具有独特的光学、电子、催化等性质,其成为了纳米材料领域研究的热点。但它们容易发生聚集、表面易被氧化等缺点也大大限制了其应用范围：而通过胶体粒子来稳定这些纳米粒子不仅可以大大提高金属及其化合物纳米粒子的分散性和稳定性,同时也可以利用胶体微球自组装的特性以及特殊的核壳结构来实现这些纳米粒子的规则排列和复合结构的构筑。本文介绍了国内外金属纳米粒子及其化合物功能化的胶体微球的制备的最新进展,并在最后就其发展作了展望。     

纳米发电机与微纳能源收集

当下对于分布式传感监测的应用需求快速发展,供电问题一直有待解决. Triboelectric Nanogenerator (TENG)可有效收集环境或生命体运动的机械能,从而为相关的电子器件提供持续的电能,具有重要研究价值和应用前景.本综述将聚焦TENG在微纳能源领域中的应用,从器件的原理、结构和实际应用的角度,展开论述,最后进行总结和展望.     

碳基纳电子材料与器件

现代信息技术的基石是集成电路芯片,而构成集成电路芯片的器件中约90%是源于硅基CMOS（complementary metal-oxide-semiconductor,互补金属-氧化物-半导体）技术.经过半个世纪奇迹般的发展,硅基CMOS技术即将进入14 nm技术节点,并将在2020年之前达到其性能极限,后摩尔时代的纳电子科学与技术的研究变得日趋急迫.目前包括IBM在内的很多企业认为,微电子工业走到8 nm技术节点时可能不得不面临放弃继续使用硅作为支撑材料,之后非硅基纳电子技术的发展将可能从根本上影响到未来芯片和相关产业的发展.在为数不多的几种可能的替代材料中,碳基纳米材料——特别是碳纳米管和石墨烯,被公认为是最有希望替代硅的材料.北京大学碳电子研究团队最新研究结果表明,在14 nm技术节点碳纳米管晶体管的速度和功耗均较硅基器件有10倍以上的优势,进入亚10 nm技术节点后这种优势还将继续加大.2013年9月,美国斯坦福大学研究组在《自然》杂志以封面文章的形式报道制造出了世界上首台碳纳米管计算机.2014年7月1日《MIT技术评论》报道IBM宣布由碳纳米管构成的比现有芯片快5倍的芯片将于2020年之前成型.基于碳纳米管的集成电路技术不再是遥不可及的梦想,现代信息科技与产业的支撑材料正加速从硅到碳进行转变.相较欧美发达国家在2020年之后的非硅基纳米电子学研究领域的巨额投入,我国对非硅基技术尚无布局.为抢占下一代半导体技术战略制高点,建议尽快启动国家碳电子计划,用一个协调的方式来支持包括材料生长、器件制备、模拟和系统设计方面的研究,汇聚优势资源,系统推进碳基信息技术的成型和发展,奠定中国未来的纳电子产业基础.     

冲击接触加载下材料准纳米磨损机制研究

基于对高能冲击磨损曲线发生转折的研究,提出了一种准纳米磨损机制,该机制的基本特征是：准纳米磨损机制作用下的磨损速率仅为同能量下的剥层磨损机制速率的1/10～1/3;磨屑及表面磨损坑直径约为50～120nm的准纳米尺度.形成准纳米磨损机制的充要条件为：磨损最表面层在高能冲击下已演变成由纳米晶＋非晶组成的纳米结构;接触表面以下的亚表层的剥层磨损裂纹被抑制;磨损裂纹产生于纳米结构中的非晶区而不是纳米晶区.     

先进材料与高性能零件陕速凝固激光加工研究进展

金属材料快速凝固激光表面加工与高性能金属零件快速凝固激光成形技术，是材料科学与工程及先进制造技术交叉学科前沿热点研究领域之一。本文介绍了作者所在实验室近年来在先进高温耐磨耐蚀金属间化合物多功能涂层新材料快速凝固激光熔覆合成／制备技术、钛合金及高温合金等高性能金属零件快速凝固激光成形技术等领域的研究进展，主要内容包括：激光熔覆高温耐磨耐蚀多功能金属间化合物涂层、钛合金及高温合金高性能零部件激光快速成形、难熔高活性金属材料及定向生长柱状晶钛合金激光约束熔铸成形技术等。