纳米结构与器件跨尺度三维操纵与互连的基础研究-东篱科研大数据发现系统（DRDS）

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纳米结构与器件跨尺度三维操纵与互连的基础研究

项目名称：纳米结构与器件跨尺度三维操纵与互连的基础研究
项目类别：重大研究计划
批准号：90923041
申请代码：E0512
项目来源：国家自然科学基金
研究期限：2010-01-01-2013-12-31

项目负责人：孙立宁
负责人职称：教授
依托单位：哈尔滨工业大学
批准年度：2009

中文摘要：

针对高效氢燃料电池、高密度IC芯片、纳米线/管电子器件等跨尺度结构与器件的纳米制造对三维纳米操作与互连技术的需求，本课题提出了基于双AFM探针实现跨尺度结构与器件的测量与三维操作的创新思想，以及采用双AFM探针三维协调操作、基于纳米蘸笔印刷术(DPN)和激光加热探针的纳米悬笔印刷术(FTN)的焊料动态定点精确沉积与激光热熔焊接等技术实现纳米互连的新方法。采用数值分析与试验相结合的方法，研究纳观环境下纳结构交互作用机理、基于多场纳米互连的能量耦合与调控机制、微纳跨尺度超精密运动生成机理等关键科学问题。结合精密驱动与微纳操作机器人、纳米测量与互连、计算机视觉等技术和物理、材料、化学等多学科理论，构建跨尺度结构与器件三维操纵与互连设备原型，实现纳米结构与器件的三维排列、操作与互连，为纳电子制造、NEMS制造提供技术支撑。

中文主题词：纳米组装；纳米互连；纳米蘸笔印刷；纳米焊接；纳米开关

英文摘要：

nanoassembly；nanointerconnection；dip-pen nanolithography；nanowelding；nanowire switch

英文主题词： nanoassembly；nanointerconnection；dip-pen nanolithography；nanowelding；nanowire switch

结论摘要：

针对纳米线/管的三维操作和组装，通过建立原子力显微镜（AFM）探针与纳米材料间的纳尺度接触和粘附模型，分析了三维纳米操作过程中AFM探针与操作对象之间的交互作用力，验证了采用双AFM探针体系结构实现三维纳米操作的可行性，并推导出双探针纳米三维摄取的极限尺寸，进一步提出了改进操作极限的手段和方法，优化了三维纳米组装的策略。设计并建立了具有自主知识产权的基于双探针AFM的纳米机器人系统及控制系统，可实现纳米/纳米管的三维纳米操作、组装与互连，以及纳米材料/器件的特性表征。在所开发的纳米机器人系统上，开展了相关单元技术的研究，包括系统的精密标定、粘附力与摩擦力的模拟计算与测定，并成功实现了？50 nm～？200 nm的纳米线的三维操作和组装的实验。提出了动态组合纳米蘸笔印刷技术（CD-DPN），在一定程度上解决了AFM探针应用于纳米互连时重复定位不准，以及操作效率低等技术难题，采用该技术，纳米焊点的制造耗时可缩短到10秒左右（传统DPN平均耗时5～10分钟以上）；开展了力调制模式蘸笔纳米刻蚀技术（FM-DPN）的研究，得到了DPN结点直径随针尖与基底间作用力之间的定量关系，用以实现焊锡材料的精确定量沉积，有效控制 DPN结点的尺寸，并进一步探索了不同维度纳米结构间的互连方法。建模分析了激光辐射作用下AFM探针周围的光强分布、热效应、电磁效应、力效应，以及多场耦合效应；深度模拟计算了激光辐照AFM探针的热场分布；采用分子动力学仿真研究了碳纳米管焊接的动态过程；建立了光纤探针导光的激光与AFM的集成实验系统，开展了激光与AFM探针复合后的纳米粒子聚集实验研究，验证了激光纳米焊接的可行性. 以典型的NEMS器件—纳米线开关为研究对象，设计了具有垂直结构和水平结构的纳米开关，并结合电动力学的基本理论对感应电荷产生的电场进行了建模与分析，从而确定了纳米开关的关键尺寸。设计了光刻工艺加工微电极，采用由构建的双探针构成的三维纳米操作实现纳米开关的装配，对装配完成的纳米开关进行了性能分析与测试，得到了纳米开关的开启电压、状态转换时间、通断电流比以及功耗等一系列关键的性能指标，从而验证了纳米电子器件相对于传统电子器件的优越性。

成果综合统计