高深宽比纳米结构的可控毛细力自组装机理与应用研究

The capillary-force which is an extremely important force in the small objects is considered to be a pivotal factor of restricting the reliable fabrication of high-aspet-ratio nanostructures. Meanwhile, capillary-force is the most effective and important driving force of the nanoscale self-assembly. The main purpose of this project is to research the mechanical stability of high-aspet-ratio nanostructures. This project will study nanoscale capillary-force self-assembly behavior systematically and set up its physical model, clarify the physical and process factors which affect the stability of nanostructures, then provide theoretical and experimental basis with which to solve the collapse of the high-aspet-ratio nanostructures. In addition, this research will provide theoretical and technical support to achieve controllable capillary-force self-assembly, then provide a effective nanofabrication method. The main research plans include:(1) Mechanism research of capillary-force self-assembly. We will analysis the impact factors of nanostructures suffered by capillary-force by simulations and in situ dynamic process research, to establish the physical model. (2) Algorithm research of controllable capillary-force self-assembly. We will develop robust algorithm based on the theoretical study, analysis the relationship of capillary-force of individual nanostructure and the overall structure, to achieve the programmable capillary-force self-assembly. (3) Application research of controllable capillary-force self-assembly. We will design and fabricate the high-aspect-ratio nanostructures by high-resolution electron-beam lithography, then to fabricate nanodevices with specific functions by using controllable capillary-force self-assembly.

毛细力是纳米尺度下极其重要的作用力，已成为制约高深宽比纳米结构可靠制备的主要因素，同时毛细力也是纳米尺度下自组装的最有效驱动力。本项目从研究高深宽比纳米结构力学稳定性出发，通过系统研究纳米尺度毛细力自组装作用机理，阐明影响纳米结构力学稳定性的物理和工艺因素，为解决该尺度下毛细力引起的高深宽比纳米结构坍塌问题提供理论和实验依据；另一方面为实现毛细力的可控自组装提供重要的理论和技术保障，进而提供一种新型有效的纳米加工方式。研究内容包括：(1)毛细力自组装的作用机理研究。通过模拟仿真及原位动态过程分析，研究自组装过程作用机理，揭示各影响因素的影响效能及相互制约关系。(2)可控毛细力自组装的设计开发。对影响因素进行有效设计利用，开发用于可控设计的软件程序，实现可控毛细力自组装。(3)毛细力自组装应用研究。结合高分辨电子束曝光，对高深宽比纳米结构进行可控自组装，实现特定功能纳米器件的加工制备。

本项目围绕高深宽比纳米结构可靠制备及应用的问题，利用高分辨电子束曝光在加工纳米结构方面的独特优势，开展了高深宽比纳米结构可靠制备影响机理的研究，可控毛细力自组装研究，高深宽比纳米结构制备工艺研究，以及高深宽比纳米结构的应用研究。已取得研究成果包括：（1）系统研究了影响高深宽比纳米结构可靠制备的影响机理，建立了纳米尺度下的高深宽比结构毛细力模型。从实验上验证了小尺寸毛细力效应对极小尺度结构可靠成形的决定性作用，从理论上分析了毛细力导致高深宽比结构倒塌的作用机理及调控方法。此研究结果可指导开发极小尺度纳米结构成形工艺及先进纳米制造方法。（2）基于毛细力影响机理的研究，发展了一种高深宽比纳米结构的可控自组装纳米加工方法。利用电子束曝光设计加工了不同形貌的高深宽比纳米墙结构，由于存在不对称毛细力，纳米墙会按照特定方向进行倒塌，从而形成特殊结构，此类结构在纳米粒子捕获及超材料制备方面具有潜在应用。所开发的自组装技术将在纳米加工、功能器件制作、以及纳米尺寸的力学研究中具有极大应用前景。（3）研究了电化学沉积中晶核形成的影响机制，利用电化学沉积方法制备了高深宽比纳米金结构。深入研究了电化学沉积中脉冲反向函数对晶核形成和生长的影响规律，利用高加速电压电子束曝光及电化学沉积的方法实现了大面积均匀的高深宽比金纳米柱结构。此研究将为纳米电化学沉积在纳米电子学、纳米光学、MEMS、X 射线光学的应用提供重要理论支持和技术储备。（4）对高深宽比纳米结构的应用进行了研究。通过利用电子束曝光制备高深宽比的纳米结构阵列作为SERS的基底，系统研究了不同密度的高深宽比纳米结构阵列分布对表面增强拉曼散射（SERS）的增强效果。此研究对于更好地设计SERS基地提供了可靠的实验依据及理论支持。