《纳米科学与微纳制造》复习材料

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1、纳米科学与微纳制造复习材料1、纳米材料有哪些危害性？答：纳米技术对生物的危害性：1）在常态下对动植物体友好的金，在纳米态下则有剧毒；2）小于lOOnm的物质进入动物体内后，会在大脑和中枢神经富集，从而影响动物的正常生存；3）纳米微粒可以穿过人体皮肤，直接破坏人体的组织及血液循环。2、什么是纳米材料、纳米结构？答：纳米材料：纳米级结构材料简称为纳米材料，是指组成相或晶粒结构的尺寸介于1 nmlOOnm范围之间，纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。纳米材料有两层含义：其一，至少在某一维方向，尺度小于lOOnm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小

2、于lOOnm，如纳米晶合金中的晶粒；其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性量子尺寸效应。纳米结构：以纳米尺度的物质为单元按一定规律组成的一种体系。3、什么是纳米科技？答：纳米科技是研究在l-100nm内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学;同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工的技术。4、什么是纳米技术的科学意义？答：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆 土在宏观和微观的理论充分完善之后，再介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这 也是新技术发展的源头；纳米科技是多学科交叉融合性质

3、的集中体现，我们已不能将纳米 科技归为任何一门传统的学科领域而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新 性的突破的，在这一尺度下，充满了原始创新的机会因此，对于还比较陌生的纳米世界中 尚待解释的科学问题，科学家有着极大的好奇心和探索欲望。5、纳米材料有哪 4种维度？举例说明答：零维：团簇、量子点、纳米粒子一维：纳米线、量子线、纳米管、纳米棒二维：纳米带、二维电子器件、超薄膜、多层膜、晶体格三维：纳米块体6、名词解释：STM、AFM、SEM、TEM答：STM (scanning tunneling microscope)扫描隧道显微镜AFM(Atomic Force Microscope)

4、原子力显微镜扫描电子显微镜SEM(scanning electron microscope)TEM(Transmission Electron Microscope) 透射电子显微镜XRF(X Ray Fluorescence)X射线荧光光谱分析7、扫描隧道显微镜和原子力显微镜的工作原理扫描隧道显微镜：在样品与探针之间加上小的探测电压，调节样品与探针间距，控制 系统使针尖靠近样品表面，当针尖原子与样品表面原子距离W 10?时，由于隧道效应，探 针和样品表面之间产生电子隧穿，在样品的表面针尖之间有一纳安级电流通过，电流强度 对探针和样品表面间的距离非常敏感，距离变化 1?，电流就变化一个数量级左

5、右。移动探 针或样品，使探针在样品上扫描。原子力显微镜：将一个对微弱力极敏感的弹性微悬臂一端固定另一端的针尖与样品表 面轻轻接触，当针尖尖端原子与样品表面间存在极微弱的作用力(10-8-10-6N)时，微悬臂 会发生微小的弹性形变，针尖和样品之间的作用力与距离有强烈的依赖关系(遵循胡克定 律)8、纳米科技的分类?纳米科技从研究内容上可以分为三个方面：? 纳米材料，是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度，并且具有特殊性能的材料。是纳米 科技发展的物质基础。? 纳米器件，就是指从纳米尺度上，设计和制造功能器件。纳米器件的研制和应用水 平是进入纳米时代的重要标志。? 纳米尺度的检测和表征。9、请叙述什么是

6、小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。小尺寸效应：当纳米粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或与磁场穿透深度 相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子 密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常的现象。表面效应：纳米超微粒子的表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加 纳米粒子的表面原子所处的位场环境及结合能与内部原子有所不同存在许多悬空键，配位 严重不足，具有不饱和性质，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性 能的变化。因而极易与其它原子结合而趋于稳定。?量子尺寸效应：当粒子的尺寸达

7、到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。 当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米 材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化的效应。?宏观量子隧道效应：当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。纳米粒子的磁化强 度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏 观量子隧道效应。?10、与常规材料相比，纳米微粒的熔点、烧结温度和比热发生什么变化，并分别解释原 因?熔点和开始烧结温度比常规粉体的低得多，比热容增加。?熔点下降的原因：由于颗粒小，纳米微粒的表面能高、表面原子数多，

8、这些表面原子 近邻配位不全，活性大（为原子运动提供动力），纳米粒子熔化时所需增加的内能小，这就 使得纳米微粒熔点急剧下降。?烧结温度降低原因：纳米微粒尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量， 在烧结过程中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面附近的原子扩散，有利于界 面中的孔洞收缩，空位团的埋没因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧 结温度降低?比热容增加：纳米结构材料的界面结构原子杂乱分布，晶界体积百分数大（比常规块 体），因而纳米材料熵对比热的贡献比常规材料高很多需要更多的能量来给表面原子的振动 或组态混乱提供背景，使温度上升趋势减慢。?11、激子的定义是什么？答：

9、在光跃迁过程中，被激发到导带中的电子和在价带中的空穴由于库仑相互作用， 将形成一个束缚态，称为激子。通常可分为万尼尔（Wannier）激子和弗伦克尔（Frenkel） 激子，前者电子和空穴分布在较大的空间范围，库仑束缚较弱，电子“感受”到的是平均 晶格势与空穴的库仑静电势，这种激子主要是半导体中；后者电子和空穴束缚在体元胞范 围内，库仑作用较强，这种激子主要是在绝缘体中。12、试解释磁性纳米颗粒尺寸小到一定临界值时出现超顺磁性的原因超顺磁状态的起源可归为以下原因：?A 当颗粒尺寸小于单畴临界尺寸，随尺寸减小，磁各向异性能 （磁畴方向）减小到与热 运动能可相比拟，在热扰动作用下，磁化方向就不再固

10、定在一个易磁化方向，易磁化方向 作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现；?B 不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁性的临界尺寸是不相同的；?13、试述纳米材料的光致发光不同于常规材料的原因?1）由于颗粒很小，出现量子限域效应，界面结构的无序性使激子、特别是表面激子很 容易形成，因此容易产生激子发光带；?2）界面体积大，存在大量的缺陷，从而使能隙中产生许多附加能级；?3）平移周期被破坏,在 K 空间常规材料中电子跃迁的选择定则可能不适用晶体场不对 称4）杂质能级杂质发光带处于较低能量位置，发光带比较宽？14、什么是“自上而下”和“自下而上”？“自上而下”：是指通过微加工或固态技术,不断在尺寸上将人类

11、创造的功能产品微型 化。?“自下而上”：是指以原子分子为基本单元,根据人们的意愿进行设计和组装,从而构筑 成具有特定功能的产品，这种技术路线将减少对原材料的需求,降低环境污染。?15、气相法制备纳米微粒的分类？?气相法制备纳米微粒包括：化学气相反应法：气相分解法，气相合成法，气固反应法物理气相法：气体冷凝法，氢电弧等离子体法，溅射法，真空沉积法，加热蒸发法， 混合等离子体法。16、液相法制备纳米微粒的分类？液相法制备纳米微粒分为：沉淀法，水热法，溶胶凝胶法，冷冻干燥法，喷雾法17、试述气体冷凝法制备纳米微粒的基本原理?定义:此种制备方法是在低压的氩、氦等惰性气体中加热金属，使其蒸发后形成超微粒

12、 （l1000nm）或纳米微粒。原理：整个过程是在超高真空室内进行,通过分子涡轮使其达到 0.1KPa 上的真空度， 然后充入低压（约2KPa）的净惰性气体（He或Ar,纯度为99.9996%）,欲蒸的物质（例如， 金属，CaF 2, NaCl, FeF等离子化合物、过渡族金属氮化物及易升华的氧化物等）置于坩 埚内,通过钨电阻加热器或石墨加热器等加热装置逐渐加热蒸发,产生原物质烟雾,由于 惰性气体的对流，烟雾向上移动，并接近充液氦的冷却棒（冷阱，77K）在蒸发过程中，原物 质发出的原子与惰性气体原子碰撞而迅速损失能量而冷却,在原物质的蒸气中造成很高的 局域过饱和，导致均匀的成核过程，在接近冷却

13、棒的过程中，原物质的蒸气首先形成原子 簇，然后形成单个纳米微粒在接近冷却棒表面的区域内，单个纳米微粒聚合长大，最后在 冷却棒表面上积累起来用聚四氟乙烯刮刀刻下并收集起来获得纳米粉。18、溶胶凝胶法制备纳米微粒的基本原理将金属醇盐或无机盐经水解,然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、煅烧除去有机成 分，最后得到无机材料。19、名词解释 CVD、PVD、PLD、MBE、PECVD化学气相沉积法答：CVD (Chemical Vapor Deposition)PVD(Physical Vapor Deposition)物理气相沉积法PLD(Pulsed Laser Deposition)脉冲激光沉积法

14、MBE(Molecular Beam Epitaxy)分子束外延PECVD(plasma enhanced chemical vapor de p o s i t i on )等离子体增强化学气相沉积法20. 纳米科技的定义：在1lOOnm尺度范围内，研究物质(包括原子、分子的操纵)的特性和相互作用，以 及利用这些特性的多学科交叉的科学与技术。21. 如何识别真假纳米技术识别真假纳米技术主要有两个标准：(1) 材料的显微结构尺寸是否小于100nm；(2) 材料和器件是否具有不同于常规材料的、新颖的和重大改进的物理、化学或生物 学特性和功能。22. 原子力显微镜在纳米加工时有哪几种工作模式？ 接

15、触模式：微悬臂探针紧压样品表面，检测时与样品保持接触，作用力(斥力)通过微悬臂的变 形进行测量。该模式下，针尖与样品表面相接触，分辨率高，但成像时针尖对样品的作用 力较大，适合表面结构稳定的样品。 轻敲模式：用处于共振状态、上下振荡的微悬臂探针对样品表面进行扫描，样品表面起伏使微悬 臂探针的振幅产生相应变化，从而得到样品的表面形貌。该模式下，扫描成像时针尖对样 品进行“敲击”，两者间只有瞬间接触，能有效克服接触模式下因针尖的作用力，尤其是横 向力引起的样品损伤，适合于柔软或吸附样品的检测。 非接触模式。23. 扫描隧道显微镜 STM 曝光加工的特点1) 要求抗蚀剂层必须很薄，一般不超过 50n

16、m2) STM 探针与曝光面之间没有任何电子透镜系统；传统电子束曝光系统有透镜聚焦系 统3) STM 曝光是低能电子曝光，比传统电子束曝光剂量大24. 光学曝光的作用把设计制作的掩模版上的图形转换成基片上的器件结构25. 光学曝光可分为 掩膜对准式曝光 与 投影式曝光。其中前者分为接触式曝光和临近式曝光，后者分为 1:1 投影和缩小投影。接触式曝光和临近式曝光与投影式曝光是三种基本光学曝光方式。26. 接触式曝光的致命缺点：掩模的损伤，包括接触摩擦对掩模上铬层的破坏，也可能使部分光刻胶由于接触粘附到掩模版上.27. 光学曝光加工的工序有 10 步：(1) 基片表面处理。通常清洗后的基片需要在烘

17、箱(150-200C )干燥15分钟到半小 时。为了保证光刻胶在后续的刻蚀工艺中不会脱落，有时还要在涂胶之前涂一层化学增附 剂.(2) 涂胶。将干燥后的基片置于匀胶台上，通过高速旋转将胶均匀地“甩”到整个基 片表面。(3) 前烘。前烘的目的是为了去除胶膜中残存的溶剂,使胶膜干燥，以增强胶膜与基片的粘附性和胶膜的耐磨性。常用工艺条件为烘箱中(80C )干燥10-15分钟或热板上(温 度100 C)烘烤1分钟。(4) 曝光。涂有光刻胶的基片可以放进光刻机中进行曝光。如果不是第一次曝光则需 要首先找到基片上的对准标记，与掩模上的标记对准。当一定波长的光线(一般利用紫外 光)通过掩模上的透光区照射到光

18、刻胶上，被辐照的光刻胶就会发生相应的光化学反应。(5) 后烘。光线照射到光刻胶与基片界面上会产生部分反射，反射光会使掩模不透光 区下边的光刻胶进行曝光；反射光与入射光叠加会形成驻波,驻波会造成光刻胶边缘曝光结 果出现螺纹状.(6) 显影。将显影液全面地喷在光刻胶上，或将曝光后的样片浸在显影液中几十秒钟， 则正型光刻胶的曝光部分(或负型胶的未曝光部分)被溶解，从而形成了图形.(7) 清除残胶。显影后通常会在基片表面残留一层非常薄(约几纳米)的胶层,不利于下 一步的图形转移.主要用氧气等离子刻蚀半分钟。（8）坚膜。坚膜又叫硬烘烤.一般将显影后的基片通过加温烘烤使经显影时软化、膨胀 的胶膜坚固。（9

19、）图形转移。通过湿法腐蚀或干法刻蚀的方法把经曝光、显影后光刻胶微图形中下层材料的裸露部分去掉，即在下层材料上重现与光刻胶相同的图形。（10）去胶。图形转移后,光刻胶已完成使命,需要清除掉。28. 光刻胶一般分为两种：正型（Positive）光刻胶：所产生的图案将会与掩模版上的图案相同负型（Negative）光刻胶：所产生的图案与掩模版上的相反29. 纳米压印模板材料选择需注意哪些问题？选择模板材料的关键在于它们的机械特性。包括硬度，热膨胀系数和导热性。通常要 求模板材料硬度和拉伸强度高，热膨胀系数小，抗腐蚀性好，确保模版耐磨，变形小，从 而保证其压印精度和使用寿命。30. 热压印法的工艺过程分

20、三步: 压模制备、压印过程、图形转移31. 热压印的基本原理：利用电子束刻印技术或其他先进技术，把坚硬的压模毛坯加工成一个压模: 然后在用 来绘制纳米图案的基片上旋涂一层聚合物薄膜，将其放人压印机加热并且把压模压在基片 上的聚合物薄膜上，再把温度降低到聚合物凝固点附近并且把压模与聚合物层相分离，就 在基片上做出了凸起的聚合物图案（还要稍作腐蚀除去凹处残留的聚合物）32. 紫外压印的工艺流程：1. 首先都必须准备一个具有纳米图案的模版，而 UV-NIL 的模版材料必须使用可以让 紫外线穿透的石英；2. 并且在硅基板涂布一层低粘度、对UV感光的液态高分子光刻胶；3. 在模版和基板对准充成后，将模版

21、压入光刻胶层并且照射紫外光使光刻胶发生聚 合反应硬化成形；4. 然后脱模、进行刻蚀基板上残留的光刻胶便完成整个 UV-NIL33. 自组装纳米加工一般具有如下 4个特征： 由个体集合形成整体组织或系统的过程是自发的、自动的。自发意味着一旦条件满 足,个体组装成整体的过程自然起始；自动意味着在组装过程中不需要人为干涉进程。因此， 自组装是个体之间相互作用的结果。 个体之间的结合是非共价键力的结合。微观层次的自组装依赖于分子间的吸引或排 斥力，其中最常见的是氢键作用力，即通过氢键将不 同分子链接成不同分子结构系统 组成整体组织或系统的个体必须能够自由运动或迁移。只有个体能够自由运动才能 发生个体之

22、间的相互作用，才能有自组装过程发生，所以分子或微观粒子的自组装一般是 在液体环境中或固体表面发生。 自组装形成的整体组织或系统是个体相互作用的热力学平衡或能量平衡的结果。在 平衡条件下，个体之间保持等距离和长程有序周期分布，而不是随机聚集。34. 实验纳米粒子自组装需满足三个条件； 纳米粒子必须能够自由运动，以发生相互作用 纳米粒子必须足够小，才能让悬浮液中的纳米粒子能自发的做布朗运动 粒子直径应当均匀一致。35. 纳米粒子组装成的二维或三维类晶体结构的用途：1）直接用来作为光子晶体材料,或高密度磁存储介质2）作为母版，由其翻制成其他材料的周期性纳米结构。36. 刻蚀：利用化学或物理方法将未受

23、光刻胶保护部分的材料从表面逐层清除 刻蚀的两个基本参数：一是掩模的抗刻蚀比，二是刻蚀的方向性，或各向异性度37. 化学湿法刻蚀技术：所谓湿法泛指所用应用化学腐蚀液体的腐蚀方法38. 反应离子深刻蚀工艺中存在的问题： 负载效应。是指局部刻蚀气体的消耗大于供给引起的刻蚀速率下降或分布不均匀效应。包括 3 种：宏观负载效应、微观负载效应、以及与深宽比有关的负载效应 微沟槽效应。是指深刻蚀中边角的刻蚀深度大于中心部分刻蚀深度的一种表现 缺口效应。刻蚀速率快的图形在刻蚀到二氧化硅隔离层后并没有完全停止，而是继续沿着二氧化硅隔离层表面横向方向刻蚀，形成所谓“缺口”效应39. 代表深刻蚀技术的目前水平是线宽为 16nm 硅线结构。