低损伤摩擦诱导纳米加工的原理及应用研究

Nanofabrication provides an approach for the application of nanoscience and nanotechnology. With the continuing rise for the requirement of advanced nano devices, the traditional nanofabrication technologies begin to face the challenges of high resolution, low cost and high efficiency. Therefore, it remains very important to explore new nanofabrication methods with simple process. Based on the previous study on the friction-induced protrusive nanostructures on silicon surface, this project aims to develop a low destructive friction-induced nanofabrication method. The effect of experimental conditions, environmental atmosphere, counter pair and surface property of fabrication samples on the low destructive friction-induced nanofabrication will be systematically investigated. The role of chemical etching and tribochemistry in the fabrication process of silicon will be studied through experimental analysis. The potential of the one-step nanofabrication method will also be tried for other materials. Finally, the low destructive friction-induced nanofabrication will be proposed. The related research accords with the significant strategic requirement of the development of national high and new science and technology. The results can not only enrich the basic theory of the nanofabrication, but also push the development of the application of the micro/nano devices.

纳米制造是支撑纳米科技走向应用的基础。随着人们对高端纳米器件需求的不断增长，传统的纳米加工技术开始面临高分辨率、低成本、高效率等挑战，亟需研究提出工艺简单的纳米加工新原理和新方法。本项目拟在前期摩擦诱导构造纳米凸结构的研究基础上，系统开展低损伤摩擦诱导纳米加工的原理和应用研究。在阐明各种实验条件、环境气氛、对磨副材料以及表面特性等对低损伤摩擦诱导纳米加工影响规律的基础之上，采用实验分析的方法深入揭示化学刻蚀和摩擦化学等因素对单晶硅等材料低损伤摩擦诱导纳米加工的作用机制，进而结合在其它材料表面加工的可行性探讨，提出低损伤摩擦诱导纳米加工的新原理和新方法。相关研究符合国家高新科技发展的重大战略需求，其成果不仅可以丰富纳米制造的基础理论，而且也有助于推动我国微/纳器件实用化的发展进程。

传统的纳米加工技术面临高分辨率、低成本、高效率等挑战，亟需研究提出工艺简单的纳米加工新原理和新方法。本项目在前期摩擦诱导构造纳米凸结构的研究基础上，系统开展低损伤摩擦诱导纳米加工的原理和应用研究。主要研究进展包括：.（1）揭示出HF溶液对刻划损伤Si3N4掩膜的选择性刻蚀机理，提出了单晶硅表面基于Si3N4掩膜的摩擦诱导选择性刻蚀纳米加工方法。与传统的摩擦诱导纳米加工方法相比，该方法所加工的结构具有更低的损伤、更深的深度。采用该方法可方便地在单晶硅表面构筑出具有较强疏水性的纳米织构。.（2）根据单晶硅的摩擦化学去除机理，提出了单晶硅表面无掩膜的摩擦化学诱导直写式和基于SiOx掩膜的摩擦化学诱导选择性刻蚀两种新型的纳米加工方法。高分辨的TEM观测表明，无论是二氧化硅针尖诱导的摩擦化学去除过程，还是KOH溶液的湿法刻蚀过程，均不导致加工结构次表层的晶格损伤。.（3）提出了砷化镓表面低损伤的摩擦诱导选择性刻蚀微纳加工新方法。该方法无需任何模板，直接通过摩擦刻划和H2SO4溶液选择性刻蚀即可在砷化镓表面实现低损伤纳米结构的加工。研究表明摩擦诱导刻划导致的晶格稠密化是引起选择性刻蚀的主要原因。. 所提出的低损伤摩擦诱导纳米加工方法具有低成本、高分辨、低损伤等优势，在微纳器件和功能化表面的制造领域具有广阔的应用前景。在本项目的资助下，发表学术论文3篇，其中SCI检索2篇，EI检索1篇；申请国家发明专利3项；作国际会议邀请报告1次，国内会议邀请报告2次；应邀赴台湾中正大学访问1次，境外专家来访2批次。培养毕业博士1人，硕士2人。