基于机械—化学方法的硅表面可控微纳结构制造技术研究

摘要

纳米科技自20世纪80年代末开始迅速发展以来，在信息、材料、生物、微电子、微制造和国家安全等方面显示出越来越重要的应用前景，已成为世界关注的重要科技前沿之一。纳米结构的制备是纳米科技发展的基础。研究成本低廉、使用方便的可控自组装制造技术对于构筑以分子为结构单元的纳米结构或器件具有重要意义。本文以机械-化学方法为主要手段，对单晶硅(100)表面制造形状、位置和功能可控的芳香烃自组装微纳结构进行了系统研究。
　　首先，分析了基于机械-化学方法在单晶硅(100)表面进行芳香烃重氮盐可控自组装微纳结构的反应机理，采用量子化学模拟计算为人们从原子水平上了解微纳结构的组装过程提供了一个平台。模拟计算的结果揭示了芳香烃重氮盐在单晶硅基底上可控自组装微纳结构的形成机理，给出了单个分子在基底表面的空间分布情况，为实验提供理论基础。
　　在理论分析和模拟计算的基础上建立了一套在溶液中进行机械-化学微加工的系统，它是实现在硅表面进行可控自组装实验的手段。该系统包括三维微动工作台、手动工作台、微测力仪系统、CCD光学放大系统和金刚石刀具夹紧机构等。分析了刀尖几何形状、刻划力、刀具前角和切削刃钝圆半径对微结构加工形貌和质量的影响，总结出以加工质量为主的最优加工参数，为自组装单层结构(SAMs)的后续应用及其摩擦性能和粘附性能检测奠定基础。
　　基于本文建立的微加工系统制备了自组装微纳结构，并利用原子力显微镜、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、红外光谱和飞行时间二次离子质谱等一系列先进的分析仪器对结构的微观形貌、组成元素和构型进行了详细分析，研究结果显示芳香烃重氮盐微纳结构是通过Si-C共价键连接到经过刻划的硅表面，这从实验角度验证了可控自组装微纳结构的形成机理。
　　为了对自组装微纳结构进行微观的摩擦性能和粘附性能的检测，基于AFM建立一套控制系统及软件，在考虑外界湿度、扫描速度等因素的前提下,用AFM对比研究了组装前后硅表面的粘附、摩擦性能，从一个侧面证明了机械-化学方法可以实现硅表面的功能化和图形化一步完成，同时从微观角度为硅表面的功能性微纳结构在MEMS/NEMS中的应用提供依据。
　　本文最后通过制备带有不同末端基团的微纳米结构，研究了基于机械-化学方法的硅表面可控自组装制造技术的实际应用。利用该技术在硅表面制备了抗腐蚀的掩膜，进而制造出特定的三维结构；实现了硅表面单链DNA的固定和单臂碳纳米管的连接。基于机械-化学方法的硅表面微纳结构制造技术实现和拓展了硅表面的功能化，对推进化学、生物电子器件的发展都将会有极其重要的意义。

目录

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 硅表面微纳结构加工技术研究现状

1.2.1 自上而下的刻蚀技术

1.2.2 自下而上的自组装方法

1.3 基于机械-化学方法的微纳结构制造技术研究现状

1.3.1 硅表面可控自组装微纳结构制造技术

1.3.2 硅表面自组装微纳结构的模拟计算

1.4 课题的主要研究内容

第2章 硅表面可控自组装微纳结构的理论研究

2.1 引言

2.2 硅表面可控自组装微纳结构反应机理分析

2.3 量子化学模拟的理论基础

2.3.1 局域密度近似和广义梯度近似

2.3.2 赝势

2.4 模型的建立和计算方法

2.4.1 建立模型

2.4.2 计算方法

2.5 计算结果和讨论

2.5.1 键角和键长

2.5.2 晶面能量

2.5.3 化学键布居

2.6 本章小结

第3章 微加工系统的建立及微加工工艺研究

3.1 引言

3.2 微加工系统的建立

3.2.1 微加工系统的原理

3.2.2 微加工系统介绍

3.3 微结构加工工艺研究

3.3.1 刀具的选取

3.3.2 微结构加工的主要步骤

3.3.3 加工过程中刻划力的影响

3.3.4 典型微结构的加工

3.4 本章小结

第4章 硅表面可控自组装微纳结构的实验研究

4.1 引言

4.2 实验材料和设备

4.3 硅表面可控自组装微纳结构的制造

4.3.1 硅片的预处理

4.3.2 芳香烃重氮盐溶液的配制

4.3.3 实验步骤

4.4 可控自组装微纳结构的检测

4.4.1 微观形貌的表征

4.4.2 组成元素的分析

4.4.3 结构和成键类型的分析

4.5 本章小结

第5章 自组装微纳结构的摩擦与粘附性能研究

5.1 引言

5.2自组装结构摩擦性能的研究

5.2.1 基于AFM建立摩擦性能测试系统

5.2.2 AFM检测摩擦性能的原理

5.2.3 摩擦性能的测量结果及分析

5.2.4 纳米摩擦性能的影响因素分析

5.3 自组装结构粘附性能的检测

5.3.1 自组装结构的水接触角测量

5.3.2 力曲线检测粘附力原理

5.3.3 粘附性能的测量结果及分析

5.4 本章小结

第6章 硅表面可控微纳结构制造技术的应用研究

6.1 引言

6.2 自组装掩膜的制备及微结构加工

6.2.1 硅表面形成自组装掩膜的原理

6.2.2 利用掩膜加工微结构

6.2.3 加工结果和讨论

6.3 硅表面固定单链DNA

6.3.1硅表面固定单链DNA的原理

6.3.2 实验方法

6.3.3 结果和讨论

6.4 硅表面连接碳纳米管

6.4.1 硅表面连接碳纳米管的原理

6.4.2 实验方法

6.4.3 硅表面连接碳纳米管的表征

6.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历