硅基纳米结构机械加载尺度效应与表征方法研究

在纳米尺度下材料会有尺度效应，利用尺度效应可发展出高性能器件，发现并利用好纳米效应非常重要。目前纳米效应以理论研究居多，实验研究以光或电加载为主，机械加载特别是连续机械加载的工作就更少，这主要是因为对纳米结构进行机械加载比光或电加载要困难得多。针对上述情况，本项目进行硅基纳米结构机械加载纳米效应与表征方法的研究工作。在TEM内利用静电微驱动器对纳米结构进行机械加载，由TEM原位表征出晶格结构与机械载荷的关系，再通过其他手段表征出能带结构、禁带宽度、迁移率、杨氏模量、热传导系数等物理特性与机械载荷的关系，从而可以研究纳米尺度下能带结构、禁带宽度、迁移率、杨氏模量、热传导系数等物理特性与晶格结构的关系。这一工作有可能发明微纳融合制造新方法和机械加载纳米效应表征新方法，原位观察到晶格结构在交变机械载荷作用下的运动情况，发现系列纳米效应并给出模型，为研制全新原理微纳器件特别是微纳传感器提供基础。

在纳米尺度下材料有尺度效应，利用尺度效应可发展出高性能器件。但目前纳米效应研究以理论研究居多，实验数据较少，机械加载特别是连续机械加载的实验数据就更少。本项目就是在TEM内利用电驱动微执行器对纳米材料机械加载与表征方法开展研究，发现系列纳米效应，给出相应的模型，为研制全新原理的微纳器件特别是微纳传感器提供基础。具体成果包括:1、基于传统硅材料的工艺选择性，提出利用Si（111）面的自停止腐蚀和纳米硅材料的自限制氧化特性，发展了高精度硅纳米线自上而下制造新方法。已分别在（100）SOI和（111）硅片上制作出宽度在20-70 nm，长度在1-30 um的硅纳米线，在Small等杂志上发表论文，并受邀撰写综述文章。2、提出了FIB内纳米操纵辅助纳米样品制备及TEM内对纳米结构力-电-机械的可控加载/表征平台，首次在TEM中利用拉伸法直接测得纳米梁杨氏模量的尺度效应规律，获得了不同机械加载下纳米结构的电子衍射图，为在原子尺度下研究机械加载纳米效应提供了简单的手段，成果被多篇高影响因子综述文章正面评价，以此为基础提出的“可控机械加载纳米结构原位表征平台研制”项目今年获得国家基金委重大科学仪器研制专项的支持。3、建立了新的考虑热、表面扩散、表面应力及曲率相耦合的多场耦合下的表界面弹性本构关系。首次指出即使在小变形情况，也必须区分参考构型和当前构型；首次引入固体中的Tolman长度反应弯曲表面的影响和表征结构曲率影响程度的无量纲数。研究成果被该领域的多位知名专家引用并积极评价。4、提出了基于硅纳米线的生物传感新方法，利用纳米线比表面积高的特点，通过建立硅纳米线FET的传感机理模型，将DNA的检测限不断提升，保持国际前列，为硅纳米线在生物传感领域的应用迈出了重要一步，连续三年在Nano Letters上发表论文，并受邀撰写综述文章。课题组系统地给出了针对硅基纳米材料机械加载TEM内原位测试的实验方法和相关的力学、热学理论模型，发展了高精度硅纳米线制造方法并开展了高灵敏度硅纳米线生物传感器的研究，为未来硅基纳米材料新效应、新原理、新器件的深入研究奠定了良好基础。在Nano Letters、Small等国际期刊发表SCI论文39篇,其中Review Paper 2篇。培养研究生和博士后15名，申请国家发明专利15项，授权4项，研究成果多次应邀在国际会议上做特邀报告。