基于探针型超声器件的纳米加工

发布时间：2020-08-22 07:04

【摘要】：目前,纳米加工技术在以下方面已有一定的进展:(1)纳米超声钳按功能可以分为非接触式捕捉和接触式捕捉功能,在非接触模式下,被捕捉的纳米物体与微操控探针不接触,而在接触模式下,被捕捉的纳米物体与微操控探针接触;(2)超声方法已经应用于切割微米物体中;(3)银纳米片的制备主要采用化学方法,包括诱导化学还原方法、快速还原沉淀法、软模板法、热解沉积法等;(4)针筒式移液器可以移取微升/亚微升液滴。然而,上述技术中仍存在不足:(1)已有的超声纳米捕捉器件只能实现单个功能,即:非接触式捕捉或接触式捕捉;(2)超声切割方法尚未应用于单个纳米物体的加工中;(3)在使用化学方法制备银纳米片时,化学方法会使用或产生一些有害的化学物质,或者需要高温高压的工作条件,需要更绿色、更方便的银纳米片制备方法来加速银纳米片的应用;(4)移液器移液的体积难以达到纳升级。针对上述纳米加工中存在的不足,论文开展了以下主要工作:通过微操控探头在合适的工作频率下的直线轨迹和椭圆轨迹超声振动,在微操控探针周围产生不同的声流场模式,将纳米线的非接触式和接触捕捉模式集成在了一个超声器件中。非接触捕捉模式使设备能够处理粘性纳米样品,接触捕捉模式使样品的转移方便。本文还提出了一种银纳米线切割方法并进行了分析。该方法利用微切割刀具尖端的直线轨迹和椭圆轨迹超声振动,以及银纳米线与基板之间的粘附力,实现了基板上单根银纳米线的切割。切口质量取决于振动速度和纳米线直径。对于基于直线轨迹振动和椭圆轨迹振动的切削,振动速度必须大于临界值,才能达到平坦的切口。对于基于椭圆轨迹振动的纳米切割,银纳米线的切口两端呈现厚度逐渐减薄的鳍状图案。另外,在本工作中,作者提出并研制了一种柔性超声微工具来碾压空气中固体基板上的银纳米线和银微米颗粒,以制备银纳米片。制得的银纳米片厚度可以薄至数十纳米,且当振动足够大时碾压效果对预压力不敏感。该方法还可以用来将单根银纳米线焊接到基板上的金叉指电极上,所得结构具有良好的焊接强度。最后,本文中所提出的微移液环结构器件,有效便捷地实现了微纳升水滴的移取、释放。通过在去离子水中加入一定数量的纳米材料物体,可以实现纳米材料的移取。该移液器能实现在线观测,并且在移取液滴的初始阶段便完成微纳升液滴与液滴母体的脱离,使得在最终释放含有纳米固体材料的微纳升液滴时,不会发生微纳升液滴与液滴母体之间的对流,从而使移取过程中保证微纳升液滴不受液滴母体的干扰。在使用常规微升针筒式移液器移取液滴时,通过推进针筒挤压针筒内液体获得液滴,而本文中的方法利用界面液体表面张力实现移取液滴。论文的创新点如下:1.通过调整纳米声学钳微操控探针的振动模态,实现了对水溶液-基板界面纳米线的接触式和非接触式双功能捕捉;2.提出了一种银纳米线切割方法,具有切割材料无气化、可以在光学显微镜下实时切割等特点;3.提出了一种柔性加工的方法,将银纳米线或银微米颗粒机械地转换为具有可控厚度和宽度的银纳米片,且柔性设计能够避免硬质材料对纳米片的破坏;4.基于界面液体表面张力特性,提出了结构简单、性能可靠的环式纳升移液器设计方法,通过在液滴中加入纳米颗粒,可实现纳米固体材料的移取。本文采用的探针激励型微纳米加工器件,相较于基板激励型结构,由于带有微纳工具头,具有易于选取被加工对象的先天优势。该技术可以应用于纳电子器件的制造、医学样品的检测、柔性导电显示屏的制备等产业中。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TB306
【图文】：

单电子晶体管,纳米技术,扫描隧道,扫描电子

南京航空航天大学博士学位论文第一章绪论背景和意义学与技术起源于著名物理学家费恩曼在 1959 年做的演讲“There’s plenty of ”。提及纳米科技，首先需要对纳米有一个感性的认识。纳（Nano）来自希腊eter, 10-9m）指的是一种长度单位，一纳米即为一公尺的十亿分之一。成人的 50 微米（50×10-6m），一纳米相当于头发丝粗细的五万分之一，同时相当于小（10-10m）。一立方纳米（nm3）相当于大约单个原子体积的 20 倍。一个纳相比，相当于一个篮球与地球相比。图 1.1 中给出了离子、分子等不同纳米围。图 1.1 中同时包含了一些纳米技术相关物体（如纳米管、单电子晶体管图 1.1 所示，可以看出纳米科技与工程中所涉及的物体和系统都具有非常小的

纳米加工,因素

据所加工对象的不同需要采用相应的方法，而一些加工技术天微米到纳米加工代表的不仅仅是结构尺度的缩小，而是加工技中涉及到的关键因素有：显微手段、纳米材料和加工方法，如图造纳米材料、器件的神奇双手，显微手段就是加工中的眼睛。料、器件的加工中，加工方法需要根据具体的显微手段进行调相关纳米加工技术主要在光学显微镜下实现，并辅以 AFM、学显微镜下进行加工的原因是光学显微镜可以进行实时观测，等待数秒至数十秒显示一幅图像，这对于纳米加工的过程控制是显微镜观测微纳米物体时，如果放大倍数较大，物镜与被观测文中，使用基恩士 VHX 超景深显微镜，当使用 500 倍放大倍米线物体，而此时物镜与被观测物体之间的距离仅为约 3-5 毫头的设计尺寸也相应受到了限制。光学显微镜的不足之处在于无法测得纳米材料单体的厚度方向尺寸。因此，当需要获得加，可以采用 AFM 和 SEM 进行进一步表征。

光学图,光学,探针

图 1.3 光学抓取种起源于扫描隧道显微镜(STM) 的 Rohrer 共同研制成功了第一台扫于非导电物质而言,它不能直接进成功了第一台原子力显微镜(AFM)[领域更为广阔。镜的工作原理就是将探针装在一弹扫描时，探针与样品表面原子间的排以作为探针和样品间排斥力的直接确测量微悬臂的微小变形，这样就面形貌和其他表面结构。对操控设

【参考文献】