《納米科學(xué)與微納制造》復(fù)習(xí)材料

2/6《納米科學(xué)與微納制造》復(fù)習(xí)材料1、納米材料有哪些危害性？答：納米技術(shù)對生物的危害性：1）在常態(tài)下對動植物體友好的金，在納米態(tài)下則有劇毒；2）小于100nm的物質(zhì)進(jìn)入動物體內(nèi)后，會在大腦和中樞神經(jīng)富集，從而影響動物的正常生存；3）納米微?？梢源┻^人體皮膚，直接破壞人體的組織及血液循環(huán)。2、什么是納米材料、納米結(jié)構(gòu)？答：納米材料：納米級結(jié)構(gòu)材料簡稱為納米材料，是指組成相或晶粒結(jié)構(gòu)的尺寸介于1nm～100nm范圍之間，納米材料大致可分為納米粉末、納米纖維、納米膜、納米塊體等四類。納米材料有兩層含義：其一，至少在某一維方向，尺度小于100nm，如納米顆粒、納米線和納米薄膜，或構(gòu)成整體材料的結(jié)構(gòu)單元的尺度小于100nm，如納米晶合金中的晶粒;其二，尺度效應(yīng)：即當(dāng)尺度減小到納米范圍，材料某種性質(zhì)發(fā)生神奇的突變，具有不同于常規(guī)材料的、優(yōu)異的特性量子尺寸效應(yīng)。納米結(jié)構(gòu)：以納米尺度的物質(zhì)為單元按一定規(guī)律組成的一種體系。3、什么是納米科技？答：納米科技是研究在1-100nm內(nèi)，原子、分子和其它類型物質(zhì)的運(yùn)動和變化的科學(xué)；同時(shí)在這一尺度范圍內(nèi)對原子、分子進(jìn)行操縱和加工的技術(shù)。4、什么是納米技術(shù)的科學(xué)意義？答：納米尺度下的物質(zhì)世界及其特性，是人類較為陌生的領(lǐng)域，也是一片新的研究疆土在宏觀和微觀的理論充分完善之后，再介觀尺度上有許多新現(xiàn)象、新規(guī)律有待發(fā)現(xiàn)，這也是新技術(shù)發(fā)展的源頭；納米科技是多學(xué)科交叉融合性質(zhì)的集中體現(xiàn)，我們已不能將納米科技?xì)w為任何一門傳統(tǒng)的學(xué)科領(lǐng)域而現(xiàn)代科技的發(fā)展幾乎都是在交叉和邊緣領(lǐng)域取得創(chuàng)新性的突破的，在這一尺度下，充滿了原始創(chuàng)新的機(jī)會因此，對于還比較陌生的納米世界中尚待解釋的科學(xué)問題，科學(xué)家有著極大的好奇心和探索欲望。5、納米材料有哪4種維度？舉例說明答：零維：團(tuán)簇、量子點(diǎn)、納米粒子一維：納米線、量子線、納米管、納米棒二維：納米帶、二維電子器件、超薄膜、多層膜、晶體格三維：納米塊體6、名詞解釋：STM、AFM、SEM、TEM答：STM(scanningtunnelingmicroscope) 掃描隧道顯微鏡AFM(AtomicForceMicroscope) 原子力顯微鏡SEM(scanningelectronmicroscope) 掃描電子顯微鏡TEM(TransmissionElectronMicroscope) 透射電子顯微鏡XRF(XRayFluorescence) X射線熒光光譜分析7、掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的工作原理掃描隧道顯微鏡：在樣品與探針之間加上小的探測電壓，調(diào)節(jié)樣品與探針間距，控制系統(tǒng)使針尖靠近樣品表面，當(dāng)針尖原子與樣品表面原子距離≤10?時(shí)，由于隧道效應(yīng)，探針和樣品表面之間產(chǎn)生電子隧穿，在樣品的表面針尖之間有一納安級電流通過，電流強(qiáng)度對探針和樣品表面間的距離非常敏感，距離變化1?，電流就變化一個(gè)數(shù)量級左右。移動探針或樣形成一個(gè)束縛態(tài)，稱為激子。通常可分為萬尼爾（Wannier）激子和弗倫克爾（Frenkel）激子，前者電子和空穴分布在較大的空間范圍，庫侖束縛較弱，電子“感受”到的是平均晶格勢與空穴的庫侖靜電勢，這種激子主要是半導(dǎo)體中；后者電子和空穴束縛在體元胞范圍內(nèi)，庫侖作用較強(qiáng)，這種激子主要是在絕緣體中。12、試解釋磁性納米顆粒尺寸小到一定臨界值時(shí)出現(xiàn)超順磁性的原因超順磁狀態(tài)的起源可歸為以下原因：

A當(dāng)顆粒尺寸小于單疇臨界尺寸，隨尺寸減小，磁各向異性能(磁疇方向)減小到與熱運(yùn)動能可相比擬，在熱擾動作用下，磁化方向就不再固定在一個(gè)易磁化方向，易磁化方向作無規(guī)律的變化，結(jié)果導(dǎo)致超順磁性的出現(xiàn)；

B不同種類的納米磁性微粒顯現(xiàn)超順磁性的臨界尺寸是不相同的；

13、試述納米材料的光致發(fā)光不同于常規(guī)材料的原因

1）由于顆粒很小，出現(xiàn)量子限域效應(yīng)，界面結(jié)構(gòu)的無序性使激子、特別是表面激子很容易形成，因此容易產(chǎn)生激子發(fā)光帶；

2）界面體積大，存在大量的缺陷，從而使能隙中產(chǎn)生許多附加能級；

3）平移周期被破壞,在K空間常規(guī)材料中電子躍遷的選擇定則可能不適用晶體場不對稱4）雜質(zhì)能級‐‐‐雜質(zhì)發(fā)光帶處于較低能量位置，發(fā)光帶比較寬

14、什么是“自上而下”和“自下而上”？“自上而下”：是指通過微加工或固態(tài)技術(shù),不斷在尺寸上將人類創(chuàng)造的功能產(chǎn)品微型化。

“自下而上”：是指以原子分子為基本單元,根據(jù)人們的意愿進(jìn)行設(shè)計(jì)和組裝,從而構(gòu)筑成具有特定功能的產(chǎn)品，這種技術(shù)路線將減少對原材料的需求,降低環(huán)境污染。

15、氣相法制備納米微粒的分類？

氣相法制備納米微粒包括：化學(xué)氣相反應(yīng)法：氣相分解法，氣相合成法，氣－固反應(yīng)法物理氣相法：氣體冷凝法，氫電弧等離子體法，濺射法，真空沉積法，加熱蒸發(fā)法，混合等離子體法。16、液相法制備納米微粒的分類？液相法制備納米微粒分為：沉淀法，水熱法，溶膠凝膠法，冷凍干燥法，噴霧法17、試述氣體冷凝法制備納米微粒的基本原理

定義:此種制備方法是在低壓的氬、氦等惰性氣體中加熱金屬，使其蒸發(fā)后形成超微粒(1~1000nm)或納米微粒。原理：整個(gè)過程是在超高真空室內(nèi)進(jìn)行,通過分子渦輪使其達(dá)到0.1KPa上的真空度，然后充入低壓(約2KPa)的凈惰性氣體(He或Ar，純度為~99.9996％)，欲蒸的物質(zhì)(例如，金屬，CaF2，NaCl，F(xiàn)eF等離子化合物、過渡族金屬氮化物及易升華的氧化物等)置于坩堝內(nèi)，通過鎢電阻加熱器或石墨加熱器等加熱裝置逐漸加熱蒸發(fā)，產(chǎn)生原物質(zhì)煙霧，由于惰性氣體的對流，煙霧向上移動，并接近充液氦的冷卻棒(冷阱，77K)在蒸發(fā)過程中，原物質(zhì)發(fā)出的原子與惰性氣體原子碰撞而迅速損失能量而冷卻，在原物質(zhì)的蒸氣中造成很高的局域過飽和，導(dǎo)致均勻的成核過程，在接近冷卻棒的過程中，原物質(zhì)的蒸氣首先形成原子簇，然后形成單個(gè)納米微粒在接近冷卻棒表面的區(qū)域內(nèi)，單個(gè)納米微粒聚合長大，最后在冷卻棒表面上積累起來用聚四氟乙烯刮刀刻下并收集起來獲得納米粉。18、溶膠凝膠法制備納米微粒的基本原理將金屬醇鹽或無機(jī)鹽經(jīng)水解,然后使溶質(zhì)聚合凝膠化，再將凝膠干燥、煅燒除去有機(jī)成分，最后得到無機(jī)材料。19、名詞解釋CVD、PVD、PLD、MBE、PECVD答：CVD（ChemicalVaporDeposition） 化學(xué)氣相沉積法PVD（PhysicalVaporDeposition） 物理氣相沉積法PLD（PulsedLaserDeposition） 脈沖激光沉積法MBE（MolecularBeamEpitaxy） 分子束外延PECVD（plasmaenhancedchemicalvapordeposition）等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法20.納米科技的定義：在1～100nm尺度范圍內(nèi)，研究物質(zhì)（包括原子、分子的操縱）的特性和相互作用，以及利用這些特性的多學(xué)科交叉的科學(xué)與技術(shù)。21.如何識別真假納米技術(shù)識別真假納米技術(shù)主要有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：（1）材料的顯微結(jié)構(gòu)尺寸是否小于100nm；（2）材料和器件是否具有不同于常規(guī)材料的、新穎的和重大改進(jìn)的物理、化學(xué)或生物學(xué)特性和功能。22.原子力顯微鏡在納米加工時(shí)有哪幾種工作模式？①接觸模式：微懸臂探針緊壓樣品表面，檢測時(shí)與樣品保持接觸，作用力（斥力）通過微懸臂的變形進(jìn)行測量。該模式下，針尖與樣品表面相接觸，分辨率高，但成像時(shí)針尖對樣品的作用力較大，適合表面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的樣品。②輕敲模式：用處于共振狀態(tài)、上下振蕩的微懸臂探針對樣品表面進(jìn)行掃描，樣品表面起伏使微懸臂探針的振幅產(chǎn)生相應(yīng)變化，從而得到樣品的表面形貌。該模式下，掃描成像時(shí)針尖對樣品進(jìn)行“敲擊”，兩者間只有瞬間接觸，能有效克服接觸模式下因針尖的作用力，尤其是橫向力引起的樣品損傷，適合于柔軟或吸附樣品的檢測。③非接觸模式。23.掃描隧道顯微鏡STM曝光加工的特點(diǎn)1）要求抗蝕劑層必須很薄，一般不超過50nm2）STM探針與曝光面之間沒有任何電子透鏡系統(tǒng)；傳統(tǒng)電子束曝光系統(tǒng)有透鏡聚焦系統(tǒng)3）STM曝光是低能電子曝光，比傳統(tǒng)電子束曝光劑量大24.光學(xué)曝光的作用把設(shè)計(jì)制作的掩模版上的圖形轉(zhuǎn)換成基片上的器件結(jié)構(gòu)25.光學(xué)曝光可分為掩膜對準(zhǔn)式曝光與投影式曝光。其中前者分為接觸式曝光和臨近式曝光，后者分為1:1投影和縮小投影。接觸式曝光和臨近式曝光與投影式曝光是三種基本光學(xué)曝光方式。26.接觸式曝光的致命缺點(diǎn)：掩模的損傷，包括接觸摩擦對掩模上鉻層的破壞，也可能使部分光刻膠由于接觸粘附到掩模版上.27.光學(xué)曝光加工的工序有10步：（1）基片表面處理。通常清洗后的基片需要在烘箱（150-200℃）干燥15分鐘到半小時(shí)。為了保證光刻膠在后續(xù)的刻蝕工藝中不會脫落，有時(shí)還要在涂膠之前涂一層化學(xué)增附劑.（2）涂膠。將干燥后的基片置于勻膠臺上，通過高速旋轉(zhuǎn)將膠均勻地“甩”到整個(gè)基片表面。（3）前烘。前烘的目的是為了去除膠膜中殘存的溶劑,使膠膜干燥，以增強(qiáng)膠膜與基片的粘附性和膠膜的耐磨性。常用工藝條件為烘箱中（80℃）干燥10-15分鐘或熱板上（溫度100℃）烘烤1分鐘。（4）曝光。涂有光刻膠的基片可以放進(jìn)光刻機(jī)中進(jìn)行曝光。如果不是第一次曝光則需要首先找到基片上的對準(zhǔn)標(biāo)記，與掩模上的標(biāo)記對準(zhǔn)。當(dāng)一定波長的光線（一般利用紫外光）通過掩模上的透光區(qū)照射到光刻膠上，被輻照的光刻膠就會發(fā)生相應(yīng)的光化學(xué)反應(yīng)。(5)后烘。光線照射到光刻膠與基片界面上會產(chǎn)生部分反射，反射光會使掩模不透光區(qū)下邊的光刻膠進(jìn)行曝光；反射光與入射光疊加會形成駐波,駐波會造成光刻膠邊緣曝光結(jié)果出現(xiàn)螺紋狀.（6）顯影。將顯影液全面地噴在光刻膠上，或?qū)⑵毓夂蟮臉悠陲@影液中幾十秒鐘，則正型光刻膠的曝光部分(或負(fù)型膠的未曝光部分)被溶解，從而形成了圖形.(7)清除殘膠。顯影后通常會在基片表面殘留一層非常薄(約幾納米)的膠層,不利于下一步的圖形轉(zhuǎn)移.主要用氧氣等離子刻蝕半分鐘。(8)堅(jiān)膜。堅(jiān)膜又叫硬烘烤.一般將顯影后的基片通過加溫烘烤使經(jīng)顯影時(shí)軟化、膨脹的膠膜堅(jiān)固。(9)圖形轉(zhuǎn)移。通過濕法腐蝕或干法刻蝕的方法把經(jīng)曝光、顯影后光刻膠微圖形中下層材料的裸露部分去掉，即在下層材料上重現(xiàn)與光刻膠相同的圖形。（10）去膠。圖形轉(zhuǎn)移后,光刻膠已完成使命,需要清除掉。28.光刻膠一般分為兩種：正型（Positive）光刻膠：所產(chǎn)生的圖案將會與掩模版上的圖案相同負(fù)型（Negative）光刻膠：所產(chǎn)生的圖案與掩模版上的相反29.納米壓印模板材料選擇需注意哪些問題？選擇模板材料的關(guān)鍵在于它們的機(jī)械特性。包括硬度，熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱性。通常要求模板材料硬度和拉伸強(qiáng)度高，熱膨脹系數(shù)小，抗腐蝕性好，確保模版耐磨，變形小，從而保證其壓印精度和使用壽命。30.熱壓印法的工藝過程分三步:壓模制備、壓印過程、圖形轉(zhuǎn)移31.熱壓印的基本原理：利用電子束刻印技術(shù)或其他先進(jìn)技術(shù)，把堅(jiān)硬的壓模毛坯加工成一個(gè)壓模:然后在用來繪制納米圖案的基片上旋涂一層聚合物薄膜，將其放人壓印機(jī)加熱并且把壓模壓在基片上的聚合物薄膜上，再把溫度降低到聚合物凝固點(diǎn)附近并且把壓模與聚合物層相分離，就在基片上做出了凸起的聚合物圖案(還要稍作腐蝕除去凹處殘留的聚合物)32.紫外壓印的工藝流程：1.首先都必須準(zhǔn)備一個(gè)具有納米圖案的模版，而UV-NIL的模版材料必須使用可以讓紫外線穿透的石英；2.并且在硅基板涂布一層低粘度、對UV感光的液態(tài)高分子光刻膠；3.在模版和基板對準(zhǔn)充成后，將模版壓入光刻膠層并且照射紫外光使光刻膠發(fā)生聚合反應(yīng)硬化成形；4.然后脫模、進(jìn)行刻蝕基板上殘留的光刻膠便完成整個(gè)UV-NIL33.自組裝納米加工一般具有如下4個(gè)特征：①由個(gè)體集合形成整體組織或系統(tǒng)的過程是自發(fā)的、自動的。自發(fā)意味著一旦條件滿足,個(gè)體組裝成整體的過程自然起始；自動意味著在組裝過程中不需要人為干涉進(jìn)程。因此，自組裝是個(gè)體之間相互作用的結(jié)果。②個(gè)體之間的結(jié)合是非共價(jià)鍵力的結(jié)合。微觀層次的自組裝依賴于分子間的吸引或排斥力，其中最常見的是氫鍵作用力，即通過氫鍵將不同分子鏈接成不同分子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)③組成整體組織或系統(tǒng)的個(gè)體必須能夠自由運(yùn)動或遷移。只有個(gè)體能夠自由運(yùn)動才能發(fā)生個(gè)體之間的相互作用，才能有自組裝過程發(fā)生，所以分子或微觀粒子的自組裝一般是在液體環(huán)境中或固體表面發(fā)生。④自組裝形成的整體組織或系統(tǒng)是個(gè)體相互作用的熱力學(xué)平衡或能量平衡的結(jié)果。在平衡條件下，個(gè)體之間保持等距離和長程有序周期分布，而不是隨機(jī)聚集。34.實(shí)驗(yàn)納米粒子自組裝需滿足三個(gè)條件；①納米粒子必須能夠自由運(yùn)動，以發(fā)生相互作用②納米粒子必須足夠小，才能讓懸浮液中的納米粒子能自發(fā)的做布朗運(yùn)動③粒子直徑應(yīng)當(dāng)均勻一致。35.納米粒子組裝成的二維或三維類晶體結(jié)構(gòu)的用途：1)直接用來作為光子晶體材料,或高密度磁存儲介質(zhì)2)作為母版，由其翻制成其他材料的周期性納米結(jié)構(gòu)。36.刻蝕：利用化學(xué)或物理方法將未受光刻膠保護(hù)部分的材料從表面逐層清除刻蝕的兩個(gè)基本