基于微加工技术的微纳集成制造原理及方法研究

针对纳米制造技术当前所面临的光刻极限和难以批量化等一系列挑战，本研究提出基于常用微加工技术且不受光刻线宽尺度限制的跨尺度微纳集成制造的新原理，探索跨尺度制造过程中多尺度、多物理场耦合、多物质结构和性能的作用机理、输运与能量转换规律，从而形成适用于大批量且不受光刻尺度限制的新型跨尺度微纳集成制造方法，用以制备点、线、柱、孔、针尖等多维微纳基础单元以及大面积可控的微纳复合阵列，并利用微纳复合结构的特点，研发高性能的三维硅基太阳能电池、生物分子可控物理筛分微流控芯片和基于纳米针尖微电极阵列的微电刺激器等新型微纳复合结构器件。这种制造方法，不但集成和发挥了微米加工的成熟性、批量加工、与电路集成等优点，还突破了其光刻尺度的极限，同时利用微纳复合结构的独特性质来得到优异优异的新器件，因此，它必将是纳米制造的重要技术途径之一，在微纳技术的实用化进程中发挥重要作用。

本项目组在2011-2014年度，主要围绕微纳复合制造及其在微能源领域应用的科学问题和核心技术，在理论创新、实验探索以及新器件研发等多方面开展了兼具广度和深度的工作：提出了“以微米为骨架结构, 以纳米为功能结构”的硅基微纳集成制造方法，基于优化深刻蚀工艺DRIE建立了无掩模制备纳米森林的理论模型，以及用SEM图形三维重建的方法来进行多尺度微纳结构的数值化分析和表征并形成了模拟分析工具；实现了基于离子反应刻蚀技术的硅基跨尺度集成制造方法，基于模板转印工艺实现了多种柔性材料的微纳复合结构的批量化加工，以及采用纳米颗粒作为辅助结构进行微纳复合结构加工的方法；基于摩擦发电的原理，采用带有可控微纳复合结构的材料研发了一系列性能优异的新型纳米摩擦发电机并取得了良好的应用效果，形成了以“微纳复合制造原理、加工方法和新能源应用”为研究主线的特色创新体系。.项目组在2011-2014年期间取得了较为突出的科研成果，在国内外学术界产生了一定的影响，达到了研究目标，取得了多项超出预期的科研成果：共发表51篇SCI检索论文和54篇EI检索论文，其中12篇发表在Nano Letters，ACS Nano，EES，Nano Energy，Small，Langmuir等国际重要学术期刊上，2篇被选做杂志封面，3篇受邀综述论文，SCI他引511次；授权15项中国发明专利和1项软件著作权，正式发行商业化软件1套Nanoviewer；申请4项PCT国际发明专利和31项中国发明专利；出版专著1本，在重要国际会议上做特邀报告14次，另外组织包括IEEE NEMS 2013等在内的重要国际学术交流活动9次；培养29人获得研究生学位，还有20余位在读。2014年获得日内瓦国际发明展金奖，1人获得天津市青年千人计划、1人获得北京市青年英才计划支持。