表面纳米锥的无掩膜制造及光电特性

表面纳米锥具有独特的锥状结构和较低的形态对称性，其超常的力热稳定性和纵向刚性以及表现出的纳米尺度效应及表面量子效应，引发了新奇光电特性，在光电能源、信息、国家安全等多个领域有重要应用潜力。目前瓶颈和挑战是：难于实现纳米锥的低成本一致性和批量制造；表面纳米锥的相关理论尚未建立且应用研究相当薄弱。本项目提出表面纳米锥的无掩膜等离子体刻蚀制造技术，通过控制温度场、离子能量及表面离子溅射过程，优化关键制造工艺，实现表面纳米锥的大面积、一致性、普适性和可控性制造；研究无掩膜等离子体刻蚀机制和纳米锥形成原理，建立纳米锥结构制造过程中的空间离子能量和运动及与固体表面相互作用的量子模型；研究表面纳米锥的光电特性及其调制过程，理论计算和模拟纳米锥结构的表面光学效应并探讨其增强机制；利用所提出纳米制造技术制造基于金刚石纳米锥/贵金属纳米颗粒复合结构的高灵敏度生物探测及传感器件，推动纳米锥的制造及应用的发展。

本项目主要研究了表面纳米锥结构大面积、一致性、普适性和可控性制造过程及其相关理论，包括纳米锥的制造装置、制造技术、可控工艺、形成机制与原理和光电特性及其在能源、仿生和高灵敏度探测器件等方面的应用。按照项目计划书的安排，项目执行和进展顺利，圆满完成了项目研究计划和任务，并取得超过预期的研究成果。主要成果如下：.1. 研制了无掩膜等离子体刻蚀装置，提出双等离子体区域、灯丝排列形状和偏压控制电源等关键部件的专利设计，为低成本、高效、批量制造晶片尺寸表面纳米锥样品奠定了坚实基础。.2. 发展了表面纳米锥的无掩膜刻蚀自主技术，获得纳米锥无掩膜可控制造的关键工艺，通过控制温度场、离子能量和表面离子溅射过程实现了纳米锥的大面积（4英寸）、密度一致性（～5%）、可控性（锥高0.2-3μm、锥角15-45°、锥密度10^6-10）、普适性(适合多种材料)、图形化和批量制造，各项指标均达到或超过项目预期。建立了表面纳米锥的评价标准，主要通过面密度（μm^2）和线形貌的均匀性及宽波段抗反射测试辅助等手段表征纳米锥样品的优劣。该技术为表面纳米锥在光、电、仿生、能源等多领域应用研究提供了可靠的技术保障。.3. 从理论和实验上揭示了偏压辅助甲基等离子体主导的选择性刻蚀原理及纳米锥形成机制，证实了氢等离子体刻蚀在形成初期的过渡微掩膜及表面粗糙度、颗粒度以及晶型在纳米锥的形成过程中起到重要作用。.4. 在表面纳米锥光电特性及应用研究上取得突破，其不仅表现出宽波段超抗反射特性(反射率低于1%)、优异稳定的电子场发射特性（电流密度最大超过10mA/cm2）、宽波段光探测和高灵敏传感（灵敏度提高5倍），还具有增强SERS效应（场增强因子>10^8以及>5nM的检测能力）和可控的超浸润特性（从超亲水到超疏水且超粘附特性），尤其是可作为三维电极结构应用到超级电容和锂电池中，极大提高能源器件的整体性能（循环1万次无衰减）。. 项目共发表标注基金号的SCI论文31篇，他引145次，包括Scientific Report、Small、Adv. Func. Mater.、Nanoscale、Nanotechnology、JPC及APL等国际重要学术期刊上，申请发明专利13项（授权3项），参加国内外学术会议6次（邀请报告2次和口头报告3次），邀请综述文章1篇，撰写微纳加工技术专著1章（科学出出版社）。