可控液滴催化生长与刻蚀纳米加工方法的研究

In order to overcome shortcoming of nano droplet catalytic deposition and etch method at present, which is difficult to fabricate Complex nanostructures , the project proposes a novel controlled droplet catalytic deposition and etching’s nanofabrication method, merging “droplet manipulation” and “droplet catalytic growth or etching”, specifically, manipulating droplet to realize controlled droplet catalytic deposition or etch during droplet catalytic growth or etching. Compared to other nanofabrications such as traditional nanodroplet catalytic deposition and etch and photolithography, the method has lots advantages such as being able to fabricate complex construct, process simplicity, short processing cycle, low cost.The project will research mechanism, validation of principle and rule of controlled droplet catalytic deposition and etch nanofabrication method, and build experimental platform to nanofabricate materials such as silicon,   graphene. The research will provide new theoretical method and realization technology for semiconductor materials and nanomaterials manufacturing, and is important to the development of new nanodevice.

针对目前的纳米液滴催化生长刻蚀只能制造简单的一维结构（纳米线、纳米沟道），而难以制造复杂纳米结构的不足，本项目提出一种将“液滴催化生长刻蚀”和“液滴操纵”相结合的可控液滴催化生长与刻蚀纳米加工方法，即在纳米液滴催化刻蚀生长过程中，操纵具有催化作用的液滴运动，实现可控催化生长和可控催化刻蚀。相比于传统纳米液滴催化生长刻蚀、以光刻为主的纳米加工等方法，该方法具有可制造复杂的纳米结构、加工工艺过程简单、成本低和高加工分辨率的特点。本项目将对可控液滴催化生长与刻蚀纳米加工方法的机理、原理验证和规律方面进行研究，构建可控液滴催化生长与刻蚀纳米加工实验平台，实现对硅、石墨烯等材料的纳米级加工。该研究将为半导体材料和纳米材料结构的制造提供新的理论方法和实现技术，将对新型纳米器件的发展具有重要推动意义。

纳米液滴催化生长刻蚀是一种重要的纳米制造方法，该方法可以生长纳米线和刻蚀纳米级的沟道。目前的纳米液滴催化生长刻蚀只能制造简单的一维结构（纳米线、纳米沟道），难以制造复杂纳米结构。针对这一问题，本项目提出了将“液滴催化生长刻蚀”和“液滴操纵”相结合的可控液滴催化生长与刻蚀纳米加工方法，即在纳米液滴催化刻蚀生长过程中，操纵具有催化作用的液滴运动，实现可控催化生长和可控催化刻蚀。主要研究内容为：（1）搭建催化剂液滴分配微加工系统和纳米加工系统，以及可控液滴催化刻蚀微平台和催化生长系统；（2）研究基于固液固机理的可控液滴催化生长硅纳米线方法和催化剂微纳分配方法；（3）研究催化刻蚀硅纳米线微纳加工方法和硅表面催化纳米刻蚀方法。（4）利用搭建平台对上述方法进行原理验证和实验规律性研究。研究结果表明，项目组设计并搭建的可控液滴催化生长与刻蚀纳米加工平台对于催化剂微纳液滴的操纵具有良好的效果。通过催化生长硅纳米线的实验研究验证了理论分析中建立的交叉生长模型，得到了直径小于50nm、均匀致密的硅纳米线，并首次通过纳米针尖场蒸发沉积的机理将催化剂液态金属分配到微纳尺度。项目组总结分析了各实验条件对液滴催化刻蚀加工硅纳米线长径比及微纳结构的影响，通过对实验参数的调控实现了对纳米线阵列形貌的控制，得到了直径小于200nm的硅纳米线阵列，并首次提出并验证了光照辅助刻蚀和水下催化刻蚀方法。本项目还通过分子动力学仿真建立了探针的蘸取模型，探究了纳米级分子间作用力对整体实验结果的影响并与后期实验进行对比，得到了半径为250nm的银纳米颗粒，验证了基于DPN的硅表面纳米结构刻蚀方法的可行性。相比于传统的催化生长刻蚀和光刻等加工方法，该方法可制造复杂的纳米结构、加工工艺过程简单、成本低、加工分辨率高。该项目为半导体材料和纳米材料结构的制造提供新的理论方法和实现技术，对新型纳米器件的发展具有重要推动意义。