微纳米制造技术及应用精选(九篇)

第1篇：微纳米制造技术及应用范文

目前，我国制造业已有较好基础，并已成为世界制造大国，工业增加值居世界第四位，约为美国的1/4、日本的1／2，与德国接近。产量居世界第—的有80多种产品。然而，我国制造的多是高消耗、低附加值产品，大量产品处于技术链和价值链的低端。在代表制造业发展方向和技术水平的装备制造业，我国的落后状况尤其明显，大多数装备生产企业没有核心技术和自主知识产权。同时，我国制造业劳动生产率水平偏低，许多部门的劳动生产率仅及美国、日本和德国的1／10，甚至低于马来西亚和印度尼西亚。这一差距，尤其明显地表现在资本密集型和知识密集型产业上。在此条件—卜，我国制造业不能继续在技术链低端延伸，不能依靠高消耗获得更多低附加值产品，必须用科学发展观指导制造业运行，转变制造业增长方式。

二、转变制造业增长方式必须发展现代制造技术

产品技术链，没有一个固化的定式，但总是由低端向高端发展。近年，它正伴随着现代制造技术的进步不断向高端延伸。目前，制造业技术链高端几乎被现代技术垄断，处于技术链高端的产品几乎都是由现代技术制造出来的。所以，要转变我国制造业增长方式，必须抓紧发展现代制造技术，通过现代技术促使制造业及其产品向技术链高端延伸，以便降低技术链低端产品的比重，相应提高技术链高端产品的比重。

在知识经济时代到来之际，微电子技术、光电子技术、生物技术、高分子化学工程技术、新型材料技术、原子能利用技术、航空航天技术和海洋开发工程技术等高新技术迅猛发展。以计算机广泛应用为基础的自动化技术和信息技术，与高新技术及传统制造方法结合起来，便产生了现代制造技术。

现代制造技术，保留和继承了传统制造技术的产品创新要求，如增加现有产品的功能，扩大现行产品的效用：增多现有产品的品种、款式和规格：缩小原产品的体积，减轻原产品的重量：简化产品结构，使产品零部件标准化、系列化、通用化：提高现有产品的功效，使之节能省耗等。但是，现代制造技术，在制造范畴的内涵与外延、制造工艺、制造系统和制造模式等方面，与传统制造技术均有重人差别。

在现代制造技术视野中，制造不是单纯把原料加工为成品的生产过程，它包括产品从构思设计到最终退出市场的整个生命周期，涉及产品的构思、构思方案筛选、确定产品概念、效益分析、设计制造和鉴定样品、市场试销、正式投产，以及产品的售前和售后服务等环节。

在现代制造技术视野中，制造不是单纯使用机械加工方法的生产过程，它除了机械加工方法外，还运用光电子加工方法、电子束加工方法、离子束加I：方法、硅微加工方法、电化学加工方法等，往往形成光、机、电一体化的工艺流程和加工系统。

三、发展现代制造技术的重点方向

现代制造技术正在朝着自动化、智能化、柔性化、集成化、精密化、微型化、清洁化、艺术化、个性化、高效化方向发展。为了转变制造业增长方式，促使制造业向技术链高端延伸，我国宜着重发展以下现代制造技术。

(一)以纳米技术为基础的微型系统制造技术

“纳米”是英文nan。meter的译名，是一种度量单位，是十亿分之一米，约相当于45个原子串起来那么长。纳米技术，表现为在纳米尺度(0．1nm到100nm之间)内研究物质的相互作用和运动规律，以及把它应用于实际的技术。其基本含义是在纳米尺寸范围认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创造新的物质。纳米技术以混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学等现代科学为理论基础，以计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术等现代技术为操作手段，是现代科学与现代技术相结合的产物。

纳米技术主要包括：纳米材料学(nanomaterials)、纳米动力学(nanodynamics)、纳内米电子学(nanoclectronics)、纳米生物学(nanobi010gy)和纳米药物学(nan。pharmics)。就制造技术角度来说，它主要含有纳米设计技术、纳米加工技术、纳米装配技术、纳米测量技术、纳米材料技术、纳米机械技术等。以纳米技术为基础，在纳米尺度上把机械技术与电子技术有机融合起来，便产生了微型系统制造技术。

自从硅微型压力传感器，作为第一个微型系统制造产品问世以来，相继研制成功微型齿轮、微型齿轮泵、微型气动涡轮及联接件、硅微型静电电机、微型加速度计等一系列这方面的产品。美国航空航天局运用微型系统制造技术，推出的一款微型卫星，其体积只相当于一枚25美分的硬币。

微型系统制造技术，对制造业的发展产生了巨大影响，已在航天航空、国防安全、医疗、生物等领域崭露头角，并在不断扩大应用范围。

(二)以电子束和离子束等加工为特色的超精密加工技术

超精密加工技术，一般表现为被加工对象的尺寸和形位精度达到零点几微米，表面粗糙度优于百分之几微米的加工技术。

这项技术包括超精密切削、超精密磨削、研磨和抛光、超精密微细加工等内容，主要用于超精密光学零件、超精密异形零件、超精密偶件和微机电产品等加工。

电广束、离子束、激光束等加工技术，通常出现在超精密微细加上领域，用来制造为集成电路配套的微小型传感器、执行器等新兴微机电产品，以及硅光刻技术和其他微细加工技术的生产设备、检测设备等。20世纪80年代以来，超精密加工技术，在超精密加工机床等设备、超精密加工刀具与加工工艺、超精密加工测量和控制，以及超精密加工所需要的恒温、隔热、洁净之类环境控制等方面，取得了一系列突破性进展。超精密加工技术投资大、风险高，但增值额和回报率也高得惊人。近来，发达国家把它作为提升国力的尖端技术竞相发展，前景非常好。

(三)以节约资源和保护环境为前提的省耗绿色制造技术

制造业在创造社会财富的同时，产生出大量废液、废气、固体废弃物等污染，会直接影响人类的生存环境，不利于社会的可持续发展。所以，需要探索符合环保要求的节能、省耗、少污染的生产方法，即绿色制造技术。绿色制造技术，立足于尽量减少制造业对环境带来的负面影响，促进产品制造与生存环境的协调发展，在提高企业效益的同时增进社会福祉。

这项技术的核心内容是，产品设计上，尽量提高可拆卸性、可回收性和可再制造性：生产工艺和设备选用上，尽量做到低物耗、低能耗、少废弃物、少污染。这项技术的其他内容，还包括绿色制造数据库和知识库、绿色制造过程建模、绿色制造集成技术、绿色制造评价方法等。

第2篇：微纳米制造技术及应用范文

关键词：纳米技术;纳米材料

前言

自从1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议上，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支开始，纳米技术便一步一步进入人们的生活。纳米科技是研究由尺寸在0.1-100nm之间的物质组成的体系运动规律和相互作用，以及实际应用中的技术问题的科学技术。从材料的结构层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。纳米技术不是一门单一的新型学科或者技术，它广泛应用于各类学科中，其中在机械工程中的应用对于机械工程学科的技术变革起到了不可估量的作用。纳米技术运用到机械方面尤其是产生了微型机械技术已经成为21世纪研究的核心技术，很多国家在纳米技术上开始了越来越多的研究。

1.关于纳米技术

所谓的纳米技术就是指用单一的分子、原则制造物质的一种科学技术，纳米科学技术已经成为了将很多现代的先进科学技术作为了基础科学技术，并且成为了现代科学和现代技术进行组合的重要产物之一，现代科学主要包括分子生物学、介观物理、量子力学和混沌物理，现代技术主要包括核分析技术、扫描隧道显微镜技术，微电子技术以及计算机技术，纳米技术一定会引发起一系列的全新的科学技术，比如纳米机械学、纳米材科学以及纳电子学等等。

2.微型纳米轴承

在没有纳米技术之前，轴承的体积都很大，因此会有较大的摩擦力，一般都是依靠油减少摩擦力，但减少并不意味着可以避免摩擦力。运用纳米技术开发的微型纳米轴承几乎没有摩擦力，美国科学家研制的这种微型轴承具有两个明显的特点，首先是非常小，该轴承的直径仅有一根头发的万分之一，而运用在机电系统中的其直径更是只有1nm。仅有微型机械的千分之一。其次，几乎没有摩擦力，这种纳米微型轴承的摩擦力比起以往研制的微型轴承，纳米微型轴承的摩擦力都不到其最小值的千分之一。

3.纳米材料运用

合肥大学研制成功了纳米新型陶瓷刀具，这标志着利用纳米材料制作新型金属陶瓷刀具的问世。这项研究史载金属弹词中加入了纳米氧化钛从而细化品粒。因为对于品粒的细化可以增加材料的硬度和甚至断裂任性。同时，这种纳米技术的应用也大大优化了其力学性能，纳米材料加入到传统的金属陶瓷中对其力学性能来说是个很大的提供，刀具的寿命也提高到2倍以上。

4.纳米耐磨复合涂层的应用

由于纳米材料的颗粒之间往往都存在着库仑力、范德华力，有些颗粒甚还与化学键结合，这也就导致了陶瓷的颗粒极其容易团聚，并且颗粒之间越小其进行的团聚就越紧，也就使其应有的性能很难得到充分的发挥，这个问题也就能够通过施加机械能和化学作用这两种力式来进行解决，但是，硬团聚的颗粒之间紧密结合，仅仅通过化学作用是远远不够的，必须要对其辅助很大的机械力，这些机械力主要包括剪切力和撞击力。

5.纳米技术马达

纳米技术马达的最新一代是由一家美国公司生产的，Mano Muscle公司生产这款纳米技术马达首先亮世于中国的深圳，从体积方面测量，新一款的纳米技术马达仅有传统电磁马达体积的二十分之一。其功率能够负载大约四千克的重量，使用寿命更是达到了100万次，性能如此良好，但其长度却不到一根火柴杆的长度。该马达通过采用纳米技术制造的智能材料，将传统的铜、铁、磁等材料替代，因此，新一代的马达相比于传统马达具有许多优点。重量更轻，几乎没有噪音，而制造成本也更低。目前这种微型马达在机械中的运用并不是很广泛，主要运用于汽车的电动车窗方面。

6.纳米磁性液体用于旋转轴的动态密封

通常静态的密封都是采用橡胶、塑料或金属等材料制成的“O”形环作为密封元件。旋转条件下的动态密封一直是未能解决的问题，无法在高速、高真空条件下进行动态密封。纳米技术的出现促进了磁性液体密封技术的产生。南京大学已试制成水基、烷基、二脂基、硅油等多种类型的磁性液体。在电子计算机的硬盘转处已普遍采用磁性液体的防尘密封，除此之外磁性液体还可于制造新型剂，巧妙利用磁场原理改善效果。纳米技术在机械工程中的应用举不胜举，通过以上这些新型技术的产生，我们不难看出纳米技术对于机械工程的发展有着深远影响。同时，相对于传统机械工程来说，也正是因为纳米技术有很多优势才能取得这样显著的成果。

6.1纳米磁性液体在旋转轴中应用的尺寸效应

在纳米技术领域，其显著成果之一就是在旋转轴中，对传统的尺寸单位进行了缩小，以前的计量单位级为毫米，而今则是纳米级，而1纳米仅相当于1毫米的百万分之一，如果运用在机械工程之中，那么机械的体积会因为纳米技术的应用而极大的降低，在此基础上就有了微型机械为代表的新型机械的诞生和生产。实际上，这种微型化并不仅仅是单纯意义上的尺度上发生了重大变化，而更多的是指可以成批进行制作生产微传感器、集合微结构、微驱动器、微电路等处置装置于一体的微型机电系统。

6.2 纳米磁性液体在旋转轴中应用的摩擦性能

纳米技术最为显著的一个特征就是其摩擦性能，在机械工程中，特别是结构和尺寸比较大的机械，由于摩擦力的影响，各种轴承对会因摩擦出现损伤，对机械的磨损非常严重。而纳米材料，则几乎处在一种无摩擦的状态，非常好的克服了摩擦的问题。

6.3 纳米磁性液体在旋转轴中应用的材料以及多元化

纳米技术的应用使原材料能够以一种更加微小的形态出现，而且性能强大。其首先不仅改良了传统的材料，同时通过采用纳米科技，更多更新的新材料也不断涌现。磁性液体密封技术证明了磁性液体能够能够被磁场控制的特性，另外在材料的应用过程中，通过向其添加一定的微量元素，还能够使材料获得更好的效果。

7.结语

纳米材料在机械工程中改变甚至颠覆了传统模式的运转，显示了其强大的科技含量，但是在其运用中，我们仍有很多方面亟待解决：如何准确表征纳米材料的各种精细结构;怎样从结构上分析、解释纳米材料的新特性;能否利用某种标准来预测微区尺寸减少到多大时，材料表现出特殊的性能等等。对于这些问题，我们仍需深入研究，以便纳米技术更好地服务于机械工程领域。

参考文献：

第3篇：微纳米制造技术及应用范文

微型化和智能化始终代表着现代工业和科技的主要发展方向。微电子、微机械、微光学等一连串“微工程”的兴起和发展，将科学技术带进了一个全新世界。

进入21世纪，随着社会的发展和技术的进步，由光学与微电子、微机械、纳米技术互相融合、渗透、交叉而形成的前沿学科―微纳光学，因其独特优势成为目前研究者关注的焦点。

微纳光学在基础研究和设计制造技术方面的进步，变革了传统光学与技术的发展路线，促进了光学系统微型化、集成化的发展，在生命科学、生化、通信、数据存储、新能源利用等领域都表现出巨大的应用价值和市场潜力。

电子科技大学物理电子学院教授、博士生导师付永启，多年从事微纳光学研究，在微细加工、纳米加工、衍射光学、微光学、表面等离子体光学及近场光学等领域取得了多项研究成果，始终参与和推动着“微世界”中的无限精彩。

立足前沿，引领尖端研究

“微纳光学”顾名思义分为微米光学（简称微光学）和纳米光学两部分，即微米和纳米尺度上的光学研究。”付永启在接受采访时，首先谈到了微纳光学的研究情况。

据付永启介绍，微光学是基于微细加工技术、研究微米尺度的微光学元器件设计、制作以及应用的学科。而纳米光学主要研究光的空间传播范围在纳米尺度时的倏逝波特性，并通过基于近场光学结构的纳米探针来描述和控制的过程及应用。

“在纳米光学研究中，作用于近场的光学系统突破了传统的衍射极限限制，能够对纳米光学结构进行空间分辨率在纳米量级的分析；同样，通过基于亚波长光学结构或器件，能够实现高密度的数据存储，不但可以实现微米范围的成像，也可以实现高清晰度的相位合成、单分子探测以及局部区域光谱分析。”

正是这些独特的优势，使微纳光学自产生之日起，便始终处于研究者关注的中心，并愈发活跃。

虽然我国在微纳光学领域已经取得了一定的成果，但同国际相比，无论在基础研究还是应用转化方面都存在一定差距，总的来看原创性技术太少，能够转化为产业、推动光电子产业发展的更少。

付永启认为，要使微纳科学与技术为人类造福，必须从基础研究做起，打下坚实基础的同时，紧密结合产业领域发展需求，准确把握市场方向，重点攻关，进而带动全面发展。

而付永启的研究成长过程，也恰巧暗合了微纳光学从基础研究到产业应用，以点带面的发展路线。

世界微纳光学蓬勃发展的1990年代，付永启走进了这一领域。

1994年，付永启在中科院长春光机所研读博士，“当时是跟导师一起做国家航天‘921’项目中的一个子项目―‘动态目标发生器’的研究，我主要负责曲面光刻的研究。”那是他接触到微光学并逐渐对微光学元器件的设计制作产生兴趣的开始。

在博士后研究阶段，付永启又接着在衍射光学元件的设计制作方面开展了深入研究。随后为了开阔视野、提升研究能力，付永启于1998年赴新加坡南洋理工大学精密工程与纳米技术中心作研究员，借助当地优越的软硬件条件继续深入开展微光学以及后期纳米光学领域的研究工作。

在新加坡，通过与科研院所及工业界的合作，付永启开展了多个横向和纵向项目研究，接触到了微电子、微机电系统（MEMS）、微纳加工、纳米计量、及生化分析等多学科领域的知识，先后完成了多项重大研究课题，并取得了许多创新性成果。

2001年，付永启将目光专注到了一种新的微纳光学元件一步加工制作方法―聚焦离子束制作技术上，经过两年的反复研究、实验，终于获得成功并使技术逐渐成熟。

付永启利用纳米加工技术实现了微光学元件与光电子元/器件的集成一体化，即利用聚焦离子束技术直接一步将微光学元器件甚至纳米光子元器件与光电子器件集成于一体，从而达到直接控制光束的目的。这一技术摆脱了传统的采用离散光学元件对激光束进行准直或聚焦的方法，不但减少了系统元件数，而且节省了空间，更容易实现系统的轻量化和小型化，对微系统的开发具有重要意义。

同时，他还发现了两种材料，它们在聚焦离子束轰击下具有材料自组织成型特性，该特性可直接用于微光学元件的结构成型。以该技术为基础，能够制作出几种特定的微光学元件，包括微正弦光栅、微闪耀光栅等。

此外，付永启还利用聚焦离子束直接写入法和辅助沉积法成功实现了微光学元件与光电子元/器件的集成一体化，为光学系统的小型化、微型化、平面化提供了制作技术保障。该集成一体化元/器件已经广泛应用于生命科学、生化、通信、数据存储等领域，至今仍在应用，还没有其他方法能够替代。

值得一提的是，聚焦离子束技术在微电子行业的广泛应用，大大提高了微电子工业上材料、工艺、器件分析及修补的精度和速度，目前已经成为微电子技术领域必不可少的关键技术之一。同时，由于它集材料刻蚀、沉积、注入、改性于一身，有望成为高真空环境下实现器件制造全过程的主要加工手段。

毅然回国，助力产业发展

2007年，付永启放弃国外优越的待遇和生活，带着累累硕果和先进理念回国，受聘于电子科技大学物理电子学院。9年的国外工作和生活经历，使付永启真正体会到“国家”二字的含义，而回国发展也正是其心之所向。

随着科技的进步和需求的转变，目前国内微纳光学技术研究主要集中在基于特异性材料的微波天线、隐形技术、纳米光刻等几部分，研究趋势也朝着更加实用性发展，包括军用和民用。而在产业方面，付永启认为应重点结合能源和生命科学等热门领域的需求，积极探索，主动推进，研发出具有代表性的产品，如高效率光伏电池、光热疗法治疗癌症、多通道微型生化传感器等。

在学校和所在团队的支持下，付永启在纳光子结构、元器件及其应用方面取得多项国家自然科学基金项目的资助，目前主要在纳光子结构的精细聚焦及成像研究，包括基于纳光子结构的超分辨聚焦成像、负折射材料的制备及应用、近场表征等方面开展进一步的深入研究，并推进其尽快走向应用。

多年从事理工科学研究的付永启，处处透着浓郁的人文气息。他看重学生的做事态度胜过考试成绩，鼓励学生积极与其他学科的人员交流，在学科交叉中探寻思维方式的改变和新的研究切入点。

他认为创新更加需要自由开放的教育环境和多维度的思维模式，有源之水才能长久，有本之木才会繁茂。

他喜欢历史、地理、天文、摄影等偏重人文的内容，注重精神层面的丰富与充实，并认为这才是人做事的动力和源泉。

第4篇：微纳米制造技术及应用范文

【论文摘要】：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。

纳米科学和技术所涉及的是具有尺寸在1-100纳米范围的结构的制备和表征。在这个领域的研究举世瞩目。无论是从基础研究（探索基于非经典效应的新物理现象）的观念出发，还是从应用（受因结构减少空间维度而带来的优点以及因应半导体器件特征尺寸持续减小而需要这两个方面的因素驱使）的角度来看，纳米结构都是令人极其感兴趣的。

1. 纳米结构的制备

有两种制备纳米结构的基本方法：build-up和 build-down。所谓build-up方法就是将已预制好的纳米部件（纳米团簇、纳米线以及纳米管）组装起来；而build-down 方法就是将纳米结构直接地淀积在衬底上。前一种方法包含有三个基本步骤：1）纳米部件的制备；2）纳米部件的整理和筛选；3）纳米部件组装成器件（这可以包括不同的步骤如固定在衬底及电接触的淀积等等）；“Build-down”方法提供了杰出的材料纯度控制，而且它的制造机理与现代工业装置相匹配，换句话说，它是利用广泛已知的各种外延技术如分子束外延(MBE)、化学气相淀积（MOVCD）等来进行器件制造的传统方法。“Build-down”方法的缺点是较高的成本。

很清楚纳米科学的首次浪潮发生在过去的十年中。在这段时期，研究者已经证明了纳米结构的许多崭新的性质。学者们更进一步征明可以用“build-down”或者“build-up” 方法来进行纳米结构制造。这些成果向我们展示，如果纳米结构能够大量且廉价地被制造出来，我们必将收获更多的成果。

2. 纳米结构尺寸、成份、位序以及密度的控制

为了充分发挥量子点的优势之处，我们必须能够控制量子点的位置、大小、成份已及密度。其中一个可行的方法是将量子点生长在已经预刻有图形的衬底上。由于量子点的横向尺寸要处在10-20纳米范围（或者更小才能避免高激发态子能级效应，如对于GaN材料量子点的横向尺寸要小于8纳米）才能实现室温工作的光电子器件，在衬底上刻蚀如此小的图形是一项挑战性的技术难题。对于单电子晶体管来说，如果它们能在室温下工作，则要求量子点的直径要小至1-5纳米的范围。这些微小尺度要求已超过了传统光刻所能达到的精度极限。有几项技术可望用于如此的衬底图形制作。

⑴ 电子束光刻通常可以用来制作特征尺度小至50纳米的图形。如果特殊薄膜能够用作衬底来最小化电子散射问题，那特征尺寸小至2纳米的图形可以制作出来。

⑵ 聚焦离子束光刻是一种机制上类似于电子束光刻的技术。

⑶ 扫描微探针术可以用来划刻或者氧化衬底表面，甚至可以用来操纵单个原子和分子。最常用的方法是基于材料在探针作用下引入的高度局域化增强的氧化机制的。

⑷ 多孔膜作为淀积掩版的技术。多孔膜能用多种光刻术再加腐蚀来制备，它也可以用简单的阳极氧化方法来制备。

⑸ 倍塞（diblock）共聚物图形制作术是一种基于不同聚合物的混合物能够产生可控及可重复的相分离机制的技术。

⑹ 与倍塞共聚物图形制作术紧密相关的一项技术是纳米球珠光刻术。此项技术的基本思路是将在旋转涂敷的球珠膜中形成的图形转移到衬底上。

⑺ 将图形从母体版转移到衬底上的其他光刻技术。几种所谓“软光刻“方法， 比如复制铸模法、微接触印刷法、溶剂辅助铸模法以及用硬模版浮雕法等已被探索开发。

3. 纳米制造所面对的困难和挑战

随着器件持续微型化的趋势的发展，普通光刻技术的精度将很快达到它的由光的衍射定律以及材料物理性质所确定的基本物理极限。通过采用深紫外光和相移版，以及修正光学近邻干扰效应等措施，特征尺寸小至80 nm的图形已能用普通光刻技术制备出。然而不大可能用普通光刻技术再进一步显著缩小尺寸。采用X光和EUV 的光刻技术仍在研发之中，可是发展这些技术遇到在光刻胶以及模版制备上的诸多困难。目前来看，虽然也有一些具挑战性的问题需要解决，特别是需要克服电子束散射以及相关联的近邻干扰效应问题，但投影式电子束光刻似乎是有希望的一种技术。扫描微探针技术提供了能分辨单个原子或分子的无可匹敌的精度，可是此项技术却有固有的慢速度，目前还不清楚通过给它加装阵列悬臂樑能否使它达到可以接受的刻写速度。转贴于

对一个理想的纳米刻写技术而言，它的运行和维修成本应该低，它应具备可靠地制备尺寸小但密度高的纳米结构的能力，还应有在非平面上刻制图形的能力以及制备三维结构的功能。此外，它也应能够做高速并行操作，而且引入的缺陷密度要低。然而时至今日，仍然没有任何一项能制作亚100 nm图形的单项技术能同时满足上述所有条件。现在还难说是否上述技术中的一种或者它们的某种组合会取代传统的光刻技术。究竟是现有刻写技术的组合还是一种全新的技术会成为最终的纳米刻写技术还有待于观察。

4. 展望

目前，已有不少纳米尺度图形刻制技术，它们仅有的短处要么是刻写速度慢要么是刻写复杂图形的能力有限。这些技术可以用来制造简单的纳米原型器件，这将能使我们研究这些器件的性质以及探讨优化器件结构以便进一步地改善它们的性能。必须发展新的表征技术，这不单是为了器件表征，也是为了能使我们拥有一个对器件制造过程中的必要工艺如版对准的能进行监控的手段。随着器件尺度的持续缩小，对制造技术的要求会更苛刻，理所当然地对评判方法的要求也变得更严格。随着光学有源区尺寸的缩小，崭新的光学现象很有可能被发现，这可能导致发明新的光电子器件。然而，不象电子工业发展那样需要寻找MOS晶体管的替代品，光电子工业并没有如此的立时尖锐问题需要迫切解决。纳米探测器和纳米传感器是一个全新的领域，目前还难以预测它的进一步发展趋势。然而，基于对崭新诊断技术的预期需要，我们有理由相信这将是一个快速发展的领域。总括起来，在所有三个主要领域里应用纳米结构所要求的共同点是对纳米结构的尺寸、材料纯度、位序以及成份的精确控制。一旦这个问题能够解决，就会有大量的崭新器件诞生和被研究。

参考文献

[1] 王淼， 李振华， 鲁阳， 齐仲甫， 李文铸. 纳米材料应用技术的新进展[J]. 材料科学与工程，2000.

[2] 吴晶. 电喷雾法一步制备含键合相纳米微球的研究[D]. 天津大学， 2006.

[3] 张喜梅， 陈玲， 李琳， 郭祀远. 纳米材料制备研究现状及其发展方向[J]. 现代化工，2000.

[4] 朱雪琴. 纳米技术的研究及其应用[J]. 新技术新工艺， 1996.

第5篇：微纳米制造技术及应用范文

[摘要]目前，我国制造的多是高消耗、低附加值产品，处于技术链和价值链的低端；为此，必须用科学发展观指导制造业运行，转变制造业增长方式，着重发展处于技术链高端的微型系统制造技术、超精密加工技术和省耗绿色制造技术等现代制造技术，促使制造业向技术链高端延伸。

[关键词]制造业；增长方式；发展战略；思路

一、转变制造业增长方式的紧迫性

目前，我国制造业已有较好基础，并已成为世界制造大国，工业增加值居世界第四位，约为美国的1/4、日本的1／2，与德国接近。产量居世界第—的有80多种产品。然而，我国制造的多是高消耗、低附加值产品，大量产品处于技术链和价值链的低端。在代表制造业发展方向和技术水平的装备制造业，我国的落后状况尤其明显，大多数装备生产企业没有核心技术和自主知识产权。同时，我国制造业劳动生产率水平偏低，许多部门的劳动生产率仅及美国、日本和德国的1／10，甚至低于马来西亚和印度尼西亚。这一差距，尤其明显地表现在资本密集型和知识密集型产业上。在此条件—卜，我国制造业不能继续在技术链低端延伸，不能依靠高消耗获得更多低附加值产品，必须用科学发展观指导制造业运行，转变制造业增长方式。

二、转变制造业增长方式必须发展现代制造技术

产品技术链，没有一个固化的定式，但总是由低端向高端发展。近年，它正伴随着现代制造技术的进步不断向高端延伸。目前，制造业技术链高端几乎被现代技术垄断，处于技术链高端的产品几乎都是由现代技术制造出来的。所以，要转变我国制造业增长方式，必须抓紧发展现代制造技术，通过现代技术促使制造业及其产品向技术链高端延伸，以便降低技术链低端产品的比重，相应提高技术链高端产品的比重。

在知识经济时代到来之际，微电子技术、光电子技术、生物技术、高分子化学工程技术、新型材料技术、原子能利用技术、航空航天技术和海洋开发工程技术等高新技术迅猛发展。以计算机广泛应用为基础的自动化技术和信息技术，与高新技术及传统制造方法结合起来，便产生了现代制造技术。

现代制造技术，保留和继承了传统制造技术的产品创新要求，如增加现有产品的功能，扩大现行产品的效用：增多现有产品的品种、款式和规格：缩小原产品的体积，减轻原产品的重量：简化产品结构，使产品零部件标准化、系列化、通用化：提高现有产品的功效，使之节能省耗等。但是，现代制造技术，在制造范畴的内涵与外延、制造工艺、制造系统和制造模式等方面，与传统制造技术均有重人差别。

在现代制造技术视野中，制造不是单纯把原料加工为成品的生产过程，它包括产品从构思设计到最终退出市场的整个生命周期，涉及产品的构思、构思方案筛选、确定产品概念、效益分析、设计制造和鉴定样品、市场试销、正式投产，以及产品的售前和售后服务等环节。

在现代制造技术视野中，制造不是单纯使用机械加工方法的生产过程，它除了机械加工方法外，还运用光电子加工方法、电子束加工方法、离子束加I：方法、硅微加工方法、电化学加工方法等，往往形成光、机、电一体化的工艺流程和加工系统。

三、发展现代制造技术的重点方向

现代制造技术正在朝着自动化、智能化、柔性化、集成化、精密化、微型化、清洁化、艺术化、个性化、高效化方向发展。为了转变制造业增长方式，促使制造业向技术链高端延伸，我国宜着重发展以下现代制造技术。

(一)以纳米技术为基础的微型系统制造技术

“纳米”是英文nan。meter的译名，是一种度量单位，是十亿分之一米，约相当于45个原子串起来那么长。纳米技术，表现为在纳米尺度(0．1nm到100nm之间)内研究物质的相互作用和运动规律，以及把它应用于实际的技术。其基本含义是在纳米尺寸范围认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创造新的物质。纳米技术以混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学等现代科学为理论基础，以计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术等现代技术为操作手段，是现代科学与现代技术相结合的产物。

纳米技术主要包括：纳米材料学(nanomaterials)、纳米动力学(nanodynamics)、纳内米电子学(nanoclectronics)、纳米生物学(nanobi010gy)和纳米药物学(nan。pharmics)。就制造技术角度来说，它主要含有纳米设计技术、纳米加工技术、纳米装配技术、纳米测量技术、纳米材料技术、纳米机械技术等。以纳米技术为基础，在纳米尺度上把机械技术与电子技术有机融合起来，便产生了微型系统制造技术。

自从硅微型压力传感器，作为第一个微型系统制造产品问世以来，相继研制成功微型齿轮、微型齿轮泵、微型气动涡轮及联接件、硅微型静电电机、微型加速度计等一系列这方面的产品。美国航空航天局运用微型系统制造技术，推出的一款微型卫星，其体积只相当于一枚25美分的硬币。

微型系统制造技术，对制造业的发展产生了巨大影响，已在航天航空、国防安全、医疗、生物等领域崭露头角，并在不断扩大应用范围。

(二)以电子束和离子束等加工为特色的超精密加工技术

超精密加工技术，一般表现为被加工对象的尺寸和形位精度达到零点几微米，表面粗糙度优于百分之几微米的加工技术。

这项技术包括超精密切削、超精密磨削、研磨和抛光、超精密微细加工等内容，主要用于超精密光学零件、超精密异形零件、超精密偶件和微机电产品等加工。

电广束、离子束、激光束等加工技术，通常出现在超精密微细加上领域，用来制造为集成电路配套的微小型传感器、执行器等新兴微机电产品，以及硅光刻技术和其他微细加工技术的生产设备、检测设备等。20世纪80年代以来，超精密加工技术，在超精密加工机床等设备、超精密加工刀具与加工工艺、超精密加工测量和控制，以及超精密加工所需要的恒温、隔热、洁净之类环境控制等方面，取得了一系列突破性进展。超精密加工技术投资大、风险高，但增值额和回报率也高得惊人。近来，发达国家把它作为提升国力的尖端技术竞相发展，前景非常好。

(三)以节约资源和保护环境为前提的省耗绿色制造技术

第6篇：微纳米制造技术及应用范文

关键词：纳米科学 纳米技术 纳米管 纳米线 纳米团簇 半导体

Nanoscience and Nanotechnology – the Second Revolution

Abstract:

The first revolution of nanoscience took place in the past 10 years. In this period， researchers in China， Hong Kong and worldwide have demonstrated the ability to fabricate large quantities of nanotubes， nanowires and nanoclusters of different materials， using either the “build-up” or “build-down” approach. These efforts have shown that if nanostructures can be fabricated inexpensively， there are many rewards to be reaped. Structures smaller than 20nm exhibit non-classical properties and they offer the basis for entirely different thinking in making devices and how devices function. The ability to fabricate structures with dimension less than 70nm allow the continuation of miniaturization of devices in the semiconductor industry. The second nanoscience and nantechnology revolution will likely take place in the next 10 years. In this new period， scientists and engineers will need to show that the potential and promise of nanostructures can be realized. The realization is the fabrication of practical devices with good control in size， composition， order and purity so that such devices will deliver the promised functions. We shall discuss some difficulties and challenges faced in this new period. A number of alternative approaches will be discussed. We shall also discuss some of the rewards if these difficulties can be overcome.

Key words: Nanoscience， Nanotechnology， Nanotubes， Nanowires， Nanoclusters， “build-up”， “build-down”， Semiconductor

I.

引言

纳米科学和技术所涉及的是具有尺寸在1-100纳米范围的结构的制备和表征。在这个领域的研究举世瞩目。例如， 美国政府2001财政年度在纳米尺度科学上的投入要比2000财政年增长83%，达到5亿美金。有两个主要的理由导致人们对纳米尺度结构和器件的兴趣的增加。第一个理由是，纳米结构（尺度小于20纳米）足够小以至于量子力学效应占主导地位，这导致非经典的行为，譬如，量子限制效应和分立化的能态、库仑阻塞以及单电子邃穿等。这些现象除引起人们对基础物理的兴趣外，亦给我们带来全新的器件制备和功能实现的想法和观念， 例如， 单电子输运器件和量子点激光器等。第二个理由是，在半导体工业有器件持续微型化的趋势。根据“国际半导体技术路向（2001）“杂志，2005年前动态随机存取存储器（DRAM）和微处理器（MPU）的特征尺寸预期降到80纳米，而MPU中器件的栅长更是预期降到45纳米。然而，到2003 年在MPU制造中一些不知其解的问题预期就会出现。到2005年类似的问题将预期出现在DRAM的制造过程中。半导体器件特征尺寸的深度缩小不仅要求新型光刻技术保证能使尺度刻的更小，而且要求全新的器件设计和制造方案，因为当MOS器件的尺寸缩小到一定程度时基础物理极限就会达到。随着传统器件尺寸的进一步缩小， 量子效应比如载流子邃穿会造成器件漏电流的增加，这是我们不想要的但却是不可避免的。因此，解决方案将会是制造基于量子效应操作机制的新型器件，以便小物理尺寸对器件功能是有益且必要的而不是有害的。如果我们能够制造纳米尺度的器件，我们肯定会获益良多。譬如，在电子学上， 单电子输运器件如单电子晶体管、旋转栅门管以及电子泵给我们带来诸多的微尺度好处，他们仅仅通过数个而非以往的成千上万的电子来运作，这导致超低的能量消耗，在功率耗散上也显著减弱，以及带来快得多的开关速度。在光电子学上，量子点激光器展现出低阈值电流密度、弱阈值电流温度依赖以及大的微分增益等优点，其中大微分增益可以产生大的调制带宽。在传感器件应用上，纳米传感器和纳米探测器能够测量极其微量的化学和生物分子，而且开启了细胞内探测的可能性，这将导致生物医学上迷你型的侵入诊断技术出现。纳米尺度量子点的其他器件应用，比如，铁磁量子点磁记忆器件、量子点自旋过滤器及自旋记忆器等，也已经被提出，可以肯定这些应用会给我们带来许多潜在的好处。总而言之，无论是从基础研究（探索基于非经典效应的新物理现象）的观念出发， 还是从应用（受因结构减少空间维度而带来的优点以及因应半导体器件特征尺寸持续减小而需要这两个方面的因素驱使）的角度来看，纳米结构都是令人极其感兴趣的。

II.

纳米结构的制备———首次浪潮

有两种制备纳米结构的基本方法：build-up和 build-down。所谓build-up方法就是将已预制好的纳米部件（纳米团簇、纳米线以及纳米管）组装起来；而build-down 方法就是将纳米结构直接地淀积在衬底上。前一种方法包含有三个基本步骤：1）纳米部件的制备；2）纳米部件的整理和筛选；3）纳米部件组装成器件（这可以包括不同的步骤如固定在衬底及电接触的淀积等等）。“build-up“的优点是个体纳米部件的制备成本低以及工艺简单快捷。有多种方法如气相合成以及胶体化学合成可以用来制备纳米元件。目前，在国内、在香港以及在世界上许多的实验室里这些方法正在被用来合成不同材料的纳米线、 纳米管以及纳米团簇。这些努力已经证明了这些方法的有效性。这些合成方法的主要缺点是材料纯洁度较差、材料成份难以控制以及相当大的尺寸和形状的分布。此外，这些纳米结构的合成后工艺再加工相当困难。特别是，如何整理和筛选有着窄尺寸分布的纳米元件是一个至关重要的问题，这一问题迄今仍未有解决。尽管存在如上的困难和问题，“build-up“依然是一种能合成大量纳米团簇以及纳米线、纳米管的有效且简单的方法。可是这些合成的纳米结构直到目前为止仍然难以有什么实际应用， 这是因为它们缺乏实用所苛求的尺寸、组份以及材料纯度方面的要求。而且，因为同样的原因用这种方法合成的纳米结构的功能性质相当差。不过上述方法似乎适宜用来制造传感器件以及生物和化学探测器，原因是垂直于衬底生长的纳米结构适合此类的应用要求。

“Build-down”方法提供了杰出的材料纯度控制，而且它的制造机理与现代工业装置相匹配，换句话说，它是利用广泛已知的各种外延技术如分子束外延(MBE)、化学气相淀积（MOVCD）等来进行器件制造的传统方法。“Build-down”方法的缺点是较高的成本。在“build-down”方法中有几条不同的技术路径来制造纳米结构。最简单的一种，也是最早使用的一种是直接在衬底上刻蚀结构来得到量子点或者量子线。另外一种是包括用离子注入来形成纳米结构。这两种技术都要求使用开有小尺寸窗口的光刻版。第三种技术是通过自组装机制来制造量子点结构。自组装方法是在晶格失配的材料中自然生长纳米尺度的岛。在Stranski-Krastanov生长模式中，当材料生长到一定厚度后，二维的逐层生长将转换成三维的岛状生长，这时量子点就会生成。业已证明基于自组装量子点的激光器件具有比量子阱激光器更好的性能。量子点器件的饱和材料增益要比相应的量子阱器件大50倍，微分增益也要高3个量级。阈值电流密度低于100 A/cm2、室温输出功率在瓦特量级（典型的量子阱基激光器的输出功率是5-50 mW）的连续波量子点激光器也已经报道。无论是何种材料系统，量子点激光器件都预期具有低阈值电流密度，这预示目前还要求在大阈值电流条件下才能激射的宽带系材料如III组氮化物基激光器还有很大的显著改善其性能的空间。目前这类器件的性能已经接近或达到商业化器件所要求的指标，预期量子点基的此类材料激光器将很快在市场上出现。量子点基光电子器件的进一步改善主要取决于量子点几何结构的优化。虽然在生长条件上如衬底温度、生长元素的分气压等的变化能够在一定程度上控制点的尺寸和密度，自组装量子点还是典型底表现出在大小、密度及位置上的随机变化，其中仅仅是密度可以粗糙地控制。自组装量子点在尺寸上的涨落导致它们的光发射的非均匀展宽，因此减弱了使用零维体系制作器件所期望的优点。由于量子点尺寸的统计涨落和位置的随机变化，一层含有自组装量子点材料的光致发光谱典型地很宽。在竖直叠立的多层量子点结构中这种谱展宽效应可以被减弱。如果隔离层足够薄，竖直叠立的多层量子点可典型地展现出竖直对准排列，这可以有效地改善量子点的均匀性。然而，当隔离层薄的时候，在一列量子点中存在载流子的耦合，这将失去因使用零维系统而带来的优点。怎样优化量子点的尺寸和隔离层的厚度以便既能获得好均匀性的量子点又同时保持载流子能够限制在量子点的个体中对于获得器件的良好性能是至关重要的。

很清楚纳米科学的首次浪潮发生在过去的十年中。在这段时期，研究者已经证明了纳米结构的许多崭新的性质。学者们更进一步征明可以用“build-down”或者“build-up” 方法来进行纳米结构制造。这些成果向我们展示，如果纳米结构能够大量且廉价地被制造出来，我们必将收获更多的成果。

在未来的十年中，纳米科学和技术的第二次浪潮很可能发生。在这个新的时期，科学家和工程师需要征明纳米结构的潜能以及期望功能能够得到兑现。只有获得在尺寸、成份、位序以及材料纯度上良好可控能力并成功地制造出实用器件才能实现人们对纳米器件所期望的功能。 因此，纳米科学的下次浪潮的关键点是纳米结构的人为可控性。

III.

纳米结构尺寸、成份、位序以及密度的控制——第二次浪潮

为了充分发挥量子点的优势之处，我们必须能够控制量子点的位置、大小、成份已及密度。其中一个可行的方法是将量子点生长在已经预刻有图形的衬底上。由于量子点的横向尺寸要处在10-20纳米范围（或者更小才能避免高激发态子能级效应，如对于GaN材料量子点的横向尺寸要小于8纳米）才能实现室温工作的光电子器件，在衬底上刻蚀如此小的图形是一项挑战性的技术难题。对于单电子晶体管来说，如果它们能在室温下工作，则要求量子点的直径要小至1-5纳米的范围。这些微小尺度要求已超过了传统光刻所能达到的精度极限。有几项技术可望用于如此的衬底图形制作。

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电子束光刻通常可以用来制作特征尺度小至50纳米的图形。如果特殊薄膜能够用作衬底来最小化电子散射问题，那特征尺寸小至2纳米的图形可以制作出来。在电子束光刻中的电子散射因为所谓近邻干扰效应（proximity effect）而严重影响了光刻的极限精度，这个效应造成制备空间上紧邻的纳米结构的困难。这项技术的主要缺点是相当费时。例如，刻写一张4英寸的硅片需要时间1小时，这不适宜于大规模工业生产。电子束投影系统如SCALPEL （scattering with angular limitation projection electron lithography）正在发展之中以便使这项技术较适于用于规模生产。目前，耗时和近邻干扰效应这两个问题还没有得到解决。

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聚焦离子束光刻是一种机制上类似于电子束光刻的技术。但不同于电子束光刻的是这种技术并不受在光刻胶中的离子散射以及从衬底来的离子背散射影响。它能刻出特征尺寸细到6纳米的图形，但它也是一种耗时的技术，而且高能离子束可能造成衬底损伤。

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扫描微探针术可以用来划刻或者氧化衬底表面，甚至可以用来操纵单个原子和分子。最常用的方法是基于材料在探针作用下引入的高度局域化增强的氧化机制的。此项技术已经用来刻划金属（Ti和Cr）、半导体（Si和GaAs）以及绝缘材料（Si3N4 和silohexanes），还用在LB膜和自聚集分子单膜上。此种方法具有可逆和简单易行等优点。引入的氧化图形依赖于实验条件如扫描速度、样片偏压以及环境湿度等。空间分辨率受限于针尖尺寸和形状（虽然氧化区域典型地小于针尖尺寸）。这项技术已用于制造有序的量子点阵列和单电子晶体管。这项技术的主要缺点是处理速度慢（典型的刻写速度为1mm/s量级）。然而，最近在原子力显微术上的技术进展—使用悬臂樑阵列已将扫描速度提高到4mm/s。此项技术的显著优点是它的杰出的分辨率和能产生任意几何形状的图形能力。但是，是否在刻写速度上的改善能使它适用于除制造光刻版和原型器件之外的其他目的还有待于观察。直到目前为止，它是一项能操控单个原子和分子的唯一技术。

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多孔膜作为淀积掩版的技术。多孔膜能用多种光刻术再加腐蚀来制备，它也可以用简单的阳极氧化方法来制备。铝膜在酸性腐蚀液中阳极氧化就可以在铝膜上产生六角密堆的空洞，空洞的尺寸可以控制在5-200 nm范围。制备多孔膜的其他方法是从纳米沟道玻璃膜复制。用这项技术已制造出含有细至40 nm的空洞的钨、钼、铂以及金膜。

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倍塞（diblock）共聚物图形制作术是一种基于不同聚合物的混合物能够产生可控及可重复的相分离机制的技术。目前，经过反应离子刻蚀后，在旋转涂敷的倍塞共聚物层中产生的图形已被成功地转移到Si3N4 膜上，图形中空洞直径20 nm，空洞之间间距40 nm。在聚苯乙烯基体中的自组织形成的聚异戊二烯（polyisoprene）或聚丁二烯（polybutadiene）球（或者柱体）可以被臭氧去掉或者通过锇染色而保留下来。在第一种情况，空洞能够在氮化硅上产生；在第二种情况，岛状结构能够产生。目前利用倍塞共聚物光刻技术已制造出GaAs纳米结构，结构的侧向特征尺寸约为23 nm， 密度高达1011 /cm2。

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与倍塞共聚物图形制作术紧密相关的一项技术是纳米球珠光刻术。此项技术的基本思路是将在旋转涂敷的球珠膜中形成的图形转移到衬底上。各种尺寸的聚合物球珠是商业化的产品。然而，要制作出含有良好有序的小尺寸球珠薄膜也是比较困难的。用球珠单层膜已能制备出特征尺寸约为球珠直径1/5的三角形图形。双层膜纳米球珠掩膜版也已被制作出。能够在金属、半导体以及绝缘体衬底上使用纳米球珠光刻术的能力已得到确认。纳米球珠光刻术（纳米球珠膜的旋转涂敷结合反应离子刻蚀）已被用来在一些半导体表面上制造空洞和柱状体纳米结构。

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将图形从母体版转移到衬底上的其他光刻技术。几种所谓“软光刻“方法， 比如复制铸模法、微接触印刷法、溶剂辅助铸模法以及用硬模版浮雕法等已被探索开发。其中微接触印刷法已被证明只能用来刻制特征尺寸大于100 nm的图形。复制铸模法的可能优点是ellastometric 聚合物可被用来制作成一个戳子，以便可用同一个戳子通过对戳子的机械加压能够制作不同侧向尺寸的图形。在溶剂辅助铸模法和用硬模版浮雕法（或通常称之为纳米压印术）之间的主要差异是，前者中溶剂被用于软化聚合物，而后者中软化聚合物依靠的是温度变化。溶剂辅助铸模法的可能优点是不需要加热。纳米压印术已被证明可用来制作具有容量达400 Gb/in2 的纳米激光光盘，在6英寸硅片上刻制亚100 nm分辨的图形，刻制10 nm X 40 nm面积的长方形，以及在4英寸硅片上进行图形刻制。除传统的平面纳米压印光刻法之外，滚轴型纳米压印光刻法也已被提出。在此类技术中温度被发现是一个关键因素。此外，应该选用具有较低的玻璃化转变温度的聚合物。为了取得高产，下列因素要解决：

1） 大的戳子尺寸

2） 高图形密度戳子

3） 低穿刺（low sticking）

4） 压印温度和压力的优化

5） 长戳子寿命。

具有低穿刺率的大尺寸戳子已经被制作出来。已有少量研究工作在试图优化压印温度和压力，但显然需要进行更多的研究工作才能得到温度和压力的优化参数。高图形密度戳子的制作依然在发展之中。还没有足够量的工作来研究戳子的寿命问题。曾有研究报告报道，覆盖有超薄的特氟隆类薄膜的模板可以用来进行50次的浮刻而不需要中间清洗。报告指出最大的性能退化来自于嵌在戳子和聚合物之间的灰尘颗粒。如果戳子是从ellastometric 母版制作出来的，抗穿刺层可能需要使用，而且进行大约5次压印后需要更换。值得关心的其他可能问题包括镶嵌的灰尘颗引起的戳子损伤或聚合物中图形损伤，以及连续压印之间戳子的清洗需要等。尽管进一步的优化和改良是必需的，但此项技术似乎有希望获得高生产率。压印过程包括对准、加热及冷却循环等，整个过程所需时间大约20分钟。使用具有较低玻璃化转换温度的聚合物可以缩短加热和冷却循环所需时间，因此可以缩短整个压印过程时间。

IV．纳米制造所面对的困难和挑战

上述每一种用于在衬底上图形刻制的技术都有其优点和缺点。目前，似乎没有哪个单一种技术可以用来高产量地刻制纳米尺度且任意形状的图形。我们可以将图形刻制的全过程分成下列步骤：

1． 在一块模版上刻写图形

2． 在过渡性或者功能性材料上复制模版上的图形

3． 转移在过渡性或者功能性材料上复制的图形。

很显然第二步是最具挑战性的一步。先前描述的各项技术，例如电子束光刻或者扫描微探针光刻技术，已经能够刻写非常细小的图形。然而，这些技术都因相当费时而不适于规模生产。纳米压印术则因可作多片并行处理而可能解决规模生产问题。此项技术似乎很有希望，但是在它能被广泛应用之前现存的严重的材料问题必须加以解决。纳米球珠和倍塞共聚物光刻术则提供了将第一步和第二步整合的解决方案。在这些技术中，图形由球珠的尺寸或者倍塞共聚物的成分来确定。然而，用这两种光刻术刻写的纳米结构的形状非常有限。当这些技术被人们看好有很大的希望用来刻写图形以便生长出有序的纳米量子点阵列时，它们却完全不适于用来刻制任意形状和复杂结构的图形。为了能够制造出高质量的纳米器件，不但必须能够可靠地将图形转移到功能材料上，还必须保证在刻蚀过程中引入最小的损伤。湿法腐蚀技术典型地不产生或者产生最小的损伤，可是湿法腐蚀并不十分适于制备需要陡峭侧墙的结构，这是因为在掩模版下一定程度的钻蚀是不可避免的，而这个钻蚀决定性地影响微小结构的刻制。另一方面，用干法刻蚀技术，譬如，反应离子刻蚀 (RIE) 或者电子回旋共振（ECR）刻蚀，在优化条件下可以获得陡峭的侧墙。直到今天大多数刻蚀研究都集中于刻蚀速度以及刻蚀出垂直墙的能力，而关于刻蚀引入损伤的研究严重不足。已有研究表明，能在表面下100 nm 深处探测到刻蚀引入的损伤。当器件中的个别有源区尺寸小于100 nm时，如此大的损伤是不能接受的。还有就是因为所有的纳米结构都有大的表面-体积比，必须尽可能地减少在纳米结构表面或者靠近的任何缺陷。

随着器件持续微型化的趋势的发展，普通光刻技术的精度将很快达到它的由光的衍射定律以及材料物理性质所确定的基本物理极限。通过采用深紫外光和相移版，以及修正光学近邻干扰效应等措施，特征尺寸小至80 nm的图形已能用普通光刻技术制备出。然而不大可能用普通光刻技术再进一步显著缩小尺寸。采用X光和EUV 的光刻技术仍在研发之中，可是发展这些技术遇到在光刻胶以及模版制备上的诸多困难。目前来看，虽然也有一些具挑战性的问题需要解决，特别是需要克服电子束散射以及相关联的近邻干扰效应问题，但投影式电子束光刻似乎是有希望的一种技术。扫描微探针技术提供了能分辨单个原子或分子的无可匹敌的精度，可是此项技术却有固有的慢速度，目前还不清楚通过给它加装阵列悬臂樑能否使它达到可以接受的刻写速度。利用转移在自组装薄膜中形成的图形的技术，例如倍塞共聚物以及纳米球珠刻写技术则提供了实现成本不是那么昂贵的大面积图形刻写的一种可能途径。然而，在这种方式下形成的图形仅局限于点状或者柱状图形。对于制造相对简单的器件而言，此类技术是足够用的，但并不能解决微电子工业所面对的问题。需要将图形从一张模版复制到聚合物膜上的各种所谓“软光刻“方法提供了一种并行刻写的技术途径。模版可以用其他慢写技术来刻制，然后在模版上的图形可以通过要么热辅助要么溶液辅助的压印法来复制。同一块模版可以用来刻写多块衬底， 而且不像那些依赖化学自组装图形形成机制的方法， 它可以用来刻制任意形状的图形。然而，要想获得高生产率，某些技术问题如穿刺及因灰尘导致的损伤等问题需要加以解决。对一个理想的纳米刻写技术而言，它的运行和维修成本应该低，它应具备可靠地制备尺寸小但密度高的纳米结构的能力，还应有在非平面上刻制图形的能力以及制备三维结构的功能。此外，它也应能够做高速并行操作，而且引入的缺陷密度要低。然而时至今日，仍然没有任何一项能制作亚100 nm图形的单项技术能同时满足上述所有条件。现在还难说是否上述技术中的一种或者它们的某种组合会取代传统的光刻技术。究竟是现有刻写技术的组合还是一种全新的技术会成为最终的纳米刻写技术还有待于观察。

另一项挑战是，为了更新我们关于纳米结构的认识和知识，有必要改善现有的表征技术或者发展一种新技术能够用来表征单个纳米尺度物体。由于自组装量子点在尺寸上的自然涨落，可信地表征单个纳米结构的能力对于研究这些结构的物理性质是绝对至关重要的。目前表征单个纳米结构的能力非常有限。譬如，没有一种结构表征工具能够用来确定一个纳米结构的表面结构到0.1 À的精度或者更佳。透射电子显微术(TEM)能够用来研究一个晶体结构的内部情况，但是它不能提供有关表面以及靠近表面的原子排列情况的信息。扫描隧道显微术（STM）和原子力显微术（AFM）能够给出表面某区域的形貌，但它们并不能提供定量结构信息好到能仔细理解表面性质所要求的精度。当近场光学方法能够给出局部区域光谱信息时，它们能给出的关于局部杂质浓度的信息则很有限。除非目前用来表征表面和体材料的技术能够扩展到能够用来研究单个纳米体的表面和内部情况，否则能够得到的有关纳米结构的所有重要结构和组份的定量信息非常有限。

V. 展望

第7篇：微纳米制造技术及应用范文

缓解食品短缺

中国正在大力研发的皮米技术有助于大大延长食品的保存时间,也能促进农作物的生长,可以双管齐下缓解全球食品短缺。

中国科学家已利用皮米技术开发出新的生物分子制剂来锁住食品中的营养成分,防止维生素流失。皮米技术还可用于研制一种更为严密的真空包装材料,它可以阻止细菌与食品接触,从而延长食品的保质期。由皮米技术开发的微型装置还可用于农业生产,缓慢地向农作物施肥,从而使肥料的肥效达到最佳。

转基因食品的安全性长期受到质疑,各国都开始寻找新技术替代转基因技术。其中,美国和中国都已把目光投向皮米技术。中国的研究成果表明,皮米技术完全可能成为转基因技术的“接班人”,为缓解全球食品短缺开辟一条新的道路。

给纳米机器人制造更小的零件

中国国家纳米科学中心已开始在皮米尺度范围内进行机械开发。此前中国已紧跟日本的脚步,开发出世界上最小的机器人――纳米机器人。美国哈佛大学纳米技术专家赖勃教授指出,中国科研人员下一步的工作将令人极其振奋――解决纳米机械无法更换配件的问题,为纳米机器人开发零部件。

赖勃称,纳米机械具有尺寸小、能耗低、反应灵敏等独特优势。但目前各国的研究只集中于纳米机械本身,开发出的纳米机器人为一体化设计,结构单一,应用范围有限。皮米零件位于微观机械技术的最前沿。中国率先在这一领域开展研究,预计3年后就可开发出由皮米零件构成的微型机器人。

中国研究人员尝试用氧化锌分子颗粒制造皮米零件,属于业内首创。一旦研发成功,这种皮米级别的机械将给微观医疗技术带来一场革命。举例来说,目前纳米机器人在医学上已得到应用,它被植入人体进行微观手术。但这种机器人只能通过特定的装置充电,进入人体后就无法继续获得电能。装上皮米零件后,机器人就可以将人在走路、呼吸时产生的热量直接转化成电能,作为在人体内长期“值班”的动力。

储存太阳能的新方法

中国科学家已经开发出一种为燃料电池提供电力的新方法,可以用来储存太阳能。

第8篇：微纳米制造技术及应用范文

研究分子层面的纳米技术，开始于150多年前，经过科学家们的不断努力，这项技术在最近十多年来取得了很多进展，那些在50年前还属于科学幻想的技术，如今正逐步变成现实。科学家们在微观世界领域尽展才华，研发出种类繁多的微型马达，在分子层面组装纳米大小的机器人，去执行人类在宏观世界无法实施的任务。

纳米马达以及以此作为原动力的纳米机器到底有何神奇之处，需要我们亲眼去看看。

会变色的杯子

将纳米材料应用于实际，古已有之，最著名的当属考古发现的古罗马时代的“莱克格斯杯”，距今约1 600年，是一只双色高脚玻璃杯，能够随着光线变化显示出不同的颜色。经过科学家研究才知道，玻璃材质里面掺杂了直径50纳米大小的金、银等金属颗粒，很显然，这个玻璃杯采用了与现代纳米科技相同的技术。然而，纳米技术虽然在1 000多年前就得以应用，但是人们对其机理并不清楚，直到最近20多年里，纳米技术才有了重大突破，并在很多领域得到广泛应用。

起初来自物理学家的构想

纳米技术包含的范围很广泛，除了纳米材料之外，如今最受关注的焦点技术领域就是纳米马达。我们总是幻想能够通过纳米机器人进入人的身体内部，修复受损的组织，与入侵的病毒作斗争，不再通过外科手术或者服用药物来治疗疾病，这也是未来医学的发展方向。然而，纳米机器人也需要驱动力，因此研发纳米马达是制造纳米机器人的第一步。

提出“纳米马达”这个构想的，是美国物理学家理查德・费曼，他在1959年12月份加州理工学院举办的美国物理协会年会上，发表了“物质底层大有空间”的演讲，还与同仁们打赌，声称没有人能够制造出尺寸小于400纳米的马达，赌金为1 000美元。

没想到仅仅过了一年，美国电气工程师威廉・麦克莱伦就制造出重量只有200微克、转速达到每分钟2 000转的电气马达，尺寸满足了费曼提出的苛刻要求。费曼的这次打赌虽然输了，却开创了纳米新技术时代。

强大的动力使者

那么什么是纳米马达呢？科技工作者给纳米马达的定义是“能够将化学能、光能、电能等转化为运动动能或者驱动力的纳米装置”。

纳米马达的尺寸都很小，一般为几个纳米或者几十纳米，具备很多优点，比如重量轻、体积小、输出推力大、功耗低、转化效率高等，为体感监测、纳米制造、纳米装配、纳米自组装和纳米驱动等技术领域带来革命性的进步，在纳米电子学和纳米医疗的定向精确输送药物方面，应用潜力和前景十分广阔。

庞大的家族

如今，纳米马达属于热门技术研究领域，研制的微型马达种类各异，形成了花样繁多、性能不同的纳米马达家族。

按照使用原材料的不同，可分为固体材料纳米马达和合成生物分子材料纳米马达，除此之外，纳米马达研究还有一个很重要的分支，那就是直接研究存在于生物体中的分子马达，并拿来直接使用，安装在纳米机器人中，为其提供动力。

第一类纳米马达以纳米管和纳米丝马达为代表。早在2004年，美国宾夕法尼亚大学化学教授阿尤斯曼・森带领团队利用铂金和黄金纳米微粒研制成功大小只有2微米的纳米马达，通过水中稀释的过氧化氢进行化学反应产生气泡来提供动力。这类纳米马达不需要外部磁场、电场和光场提供能源，也能克服纳米尺寸下的微粒受 布朗运动 的影响，而最大的缺点就是必须依赖水和过氧化氢，使其应用范围受限，不能在试管之外得到推广。第二类合成生物分子的纳米马达如今也已经取得了重大的技术突破，科学家们基于奇异合成分子，研发成功多种分子穿梭器和分子转子等纳米机械。

此外，还有按驱动方式将纳米马达分类的方法，可分为单分子酶类纳米马达和纳米泵，以及通过光电能驱动的纳米马达等。

终极目标――纳米机器人

研制纳米马达的最终目标，就是为了制造纳米生物机器人，按照技术发展的先后顺序，纳米机器人的研发可分为三代，也是三个由低到高、由简单到复杂的过程。第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合，结构部件用碳纳米管，动力构件用分子马达，关节用DNA构件；第二代纳米机器人直接利用原子或者分子，装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置；第三代纳米机器人则更进一步，在第二代的基础上安装上纳米控制芯片以及纳米计算机，为纳米机器人创造一个更加宽广的应用舞台。

绿色环保的动力来源

第9篇：微纳米制造技术及应用范文

【关键词】：人造石材；纳米二氧化钛；光催化；杀菌

一、 前言

随着国内房地产行业的蓬勃发展，室内建筑装饰材料已进入高速发展期。天然大理石质感柔和，美观庄重，格调高雅，花色繁多，是装饰豪华建筑的理想材料，使用石材进行室内装修，已经越来越被人所接受。但是天然石材同样也有很多缺点，譬如天然大理石内部缺陷多，色差大，加工易破损，且带有部分辐射等。由于天然石材属于不可再生资源，随着大规模的开采，优质天然石矿源越来越少，伴随的是对自然环境的严重破坏。为改变这种局面，国外很早就开始人造石材的开发与利用，人造石材对原料的要求不高，各种天然石材开采之后的尾矿都可以作为人造石材的主要原料进行使用。人造石材在吸收了天然石材优点的同时，也规避了天然石材的各种缺点，比如内部结构无缺陷，无辐射，无色差，易加工等优点。随着人们对人造石材的认识以及国内各大厂家不断加大新产品的开发力度，人们选择人造石材进行室内装饰的比例已经越来越高。

随着生活水平的提高，我们对健康的要求也越来越强烈，但是，生活中无所不在的细菌在不断的危害着我们的健康，如果有一种材料能够自动杀死细菌，保护我们的健康，无疑将会得到我们更多的青睐。针对市场的这种需求，我们公司进行了这种杀菌人造石产品的研制，我的研究课题就是怎样使人造石材具有这种自动杀菌功能，保护人们的健康。

二、 杀菌机理

目前抗杀菌材料按作用机理主要分为二类：第一类是重金属离子的杀菌，在材料成分里添加可杀菌的重金属材料如含银、铜离子的化工原料等，利用重金属离子的析出进行杀菌，但因为其对人体也有一定的危害，现在很多国家都已经不允许采用此方法来进行杀菌；第二类是纳米二氧化钛光催化杀菌，在材料表面涂覆一层二氧化钛薄膜，利用二氧化钛在光照下能使空气中的氧气变成活性氧，使水产生活性氧自由基的特性，从而发挥抗杀菌的作用。本次研究使用纳米二氧化钛的光催化原理进行杀菌人造石材的研制。

二氧化钛的杀菌机理：当二氧化钛纳米粒子受到不小于禁带宽度能量光子照射后，电子从价带跃迁到导带，产生了电子-空穴对，电子具有还原性，空穴具有氧化性，空穴和二氧化钛纳米粒子表面吸附的水反应生成氧化性很高的•OH自由基，活泼的•OH自由基可以将细菌等有机物氧化成CO2和H2O。这一系列反应可以用下列反应式表示为：

在光照下，二氧化钛表面产生了非常活泼的羟基自由基，超氧离子自由基以及•OH自由基，这些氧化性很强的活泼自由基，能够将各种有机物及细菌直接氧化成CO2和H2O。

有研究表明，纳米粒子的光催化活性明显优于体相材料，一般认为这主要是由以下原因造成的：纳米半导体粒子所具有的量子尺寸效应使其导带与价带能级变为分立的能级，能隙变宽，导带电位变得更负，而价带电位变得更正。这意味着纳米半导体粒子获得了更强的还原和氧化能力，从而提高其光催化活性。因此，虽然钛白粉也有一定的光催化效果，且价格便宜，但因为反映速度慢，效果不够明显。而纳米二氧化钛有很强的量子尺寸效应，一般选择TiO2做为杀菌材料，都是使用TiO2纳米粉体。

三、 超洁亮技术

纳米二氧化钛材料的杀菌特性如此优秀，但是要怎样将这种杀菌材料应用到人造石杀菌产品的工业化生产中呢，目前，我主要采用陶瓷行业相对比较成熟的“超洁亮”技术来进行工业化生产。

“超洁亮”技术通过一种简单、经济的制膜工艺，在陶瓷抛光砖的表面形成一层不影响抛光砖表面花色的、透明、持久有效的亲水性纳米材料保护膜层，该纳米保护膜不仅能完全填塞修补砖面的气孔和微裂纹，使砖面具有极强的双疏防污功能，同时可防水性和油性物质污染，还可抗菌和防腐，达到自洁的效果。

保护膜层的材料是一种液体纳米功能性材料，材料的粒度在5nm～1μm之间。陶瓷抛光砖表面的毛细气孔和微裂纹一般在几个μm到几十个μm之间，防护膜材料的粒径达到纳米级.超洁亮生产线通过特殊的磨具，配以额定的磨具工作压力、工作转速和反应温度（由磨具摩擦热提供），对砖面用纳米材料进行恰到好处的挤压和抛刷。在此额定工作条件下，超细纳米材料水剂被强制快速均匀地渗透和挤压进抛光砖表面的微孔和凹坑中，使抛光砖表面的微孔和微裂纹迅速得到填充，多余的材料同时被磨具刷扫清除。

涂覆到瓷砖表面的防护材料通过材料的物理、化学作用，在一定的时间内，形成高分子聚合物。聚合过程中体积发生一定程度的膨胀，加上微孔和微裂纹的压迫作用，形成坚固的分子键，成为与抛光砖表面结成一体的、紧密的、高强度、高硬度的致密防护膜，阻止各种污物向瓷砖内渗透，达到保持砖面防污效果和极强的抗磨性。

四、 试验过程及效果

我用二氧化钛纳米粉体及超洁亮纳米液，配制成全新的超洁亮纳米液，进行杀菌型人造石材的试制试验，试验步骤如下：

1. 配料―根据人造石材配方将各种大理石颗粒、添加剂、色料、不饱和树脂等原材料混合搅拌均匀；

2. 压制―将配制好的原料注入特定的压制容器中，在真空下加压振动，使空气尽量排出，压制一定时间后拆模放置，让方料自然固化；

3. 开介―根据需要，将人造石方料开介成所需要的规格，一般主要是加工成市场通用的标准厚度人造石板材；

4. 抛光―将开介好的人造石板材固定厚度，并进行表面抛光处理；

5. 超洁亮―选择两块人造石板材分别进行超洁亮处理，一块用全新配制的纳米液处理，一块采用普通纳米液进行处理；

6. 抗菌对比试验―超洁亮处理完的两块人造石板材自然放置一天，然后在显微镜下观测板材表面的有机微生物数量；

7. 试验结论：通过观测发现，添加了二氧化钛纳米粒子进行超洁亮的人造石板材表面有机微生物数量相比另外一块产品有明显减少。

另外我还做了钛白粉与二氧化钛纳米粒子的对比试验，发现添加钛白粉处理的板材，其表面有机微生物数量也要少于普通处理板材，但和二氧化钛纳米粒子处理过的产品比较，还是存在一定差距。

五、 结束语

利用二氧化钛的表面光催化杀菌效果及陶瓷行业的“超洁亮”技术，我们成功开发出具有自杀菌效果的人造石材，这种石材具有以下优点：

1. 在光照的情况下自动清洁与杀菌，可保护人们身体健康，尤其是有小孩的家庭，减少小孩子因细菌污染而导致生病；

2. 生产技术难度小，成本低，“超洁亮”技术应用在建材行业已经非常普遍，纳米二氧化钛的生产已经工业化，不存在任何的技术瓶颈；