若干超細與非平面特殊微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制備和表征.pdf

1、隨著納米科技的發(fā)展，設(shè)計與制備各種極小尺寸的低維結(jié)構(gòu)與器件已經(jīng)成為人們廣泛關(guān)注的研究工作，發(fā)展和完善各種高效、簡便的納米結(jié)構(gòu)制備技術(shù)也成為重要的挑戰(zhàn)。在眾多的微納加工技術(shù)中，電子束曝光由于具有極高的分辨率、穩(wěn)定的性能以及便捷的圖形設(shè)計而占據(jù)重要的地位。但是電子束曝光也有一定的局限性，主要體現(xiàn)在:流程復(fù)雜、制作效率低;制備10納米以下結(jié)構(gòu)或線條的精度差;難以加工三維納米結(jié)構(gòu)。因此，如何拓展和完善微納加工技術(shù)，克服電子束曝光的局限，制備出僅

2、靠電子束曝光難以實現(xiàn)的各種納米結(jié)構(gòu)是十分重要的研究探索內(nèi)容。
　　本論文針對上述挑戰(zhàn)，開展了系統(tǒng)的微納加工技術(shù)的研究工作。通過將電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕、氬離子刻蝕技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了電子束曝光分辨率的突破;將電子束曝光和蠟紙印刷技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了三維納米結(jié)構(gòu)的可控制備;借助電子束曝光和剝離撕裂等技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)了對納米結(jié)構(gòu)表面形貌的有效調(diào)控。本論文共分四章，各章主要內(nèi)容簡述如下:
　　第一章中，我們首先簡介了電子束曝光系統(tǒng)的

3、構(gòu)成、工作原理以及同電子束曝光相關(guān)的微納加工工藝，分析了電子束曝光的優(yōu)越性及其局限;隨后，我們介紹了一些將電子束曝光技術(shù)和諸如沉積技術(shù)、納米壓印技術(shù)以及掃描探針技術(shù)相結(jié)合的研究進展和成果。最后，我們提出了博士論文的主要研究目標。
　　第二章中，我們展示了如何發(fā)展能夠突破電子束曝光技術(shù)限制的極細納米結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)。我們采用劑量大于3500μC的電子束對PMMA光刻膠進行曝光，制備出負膠PMMA納米結(jié)構(gòu)，然后以其作為氬離子刻蝕掩膜，再

4、結(jié)合氧反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)減細掩膜線寬，成功制備出線寬小至5納米的金納米線條，并測試了不同線寬金納米線條的電輸運特性。我們還將這一技術(shù)拓展到氧化物和石墨烯結(jié)構(gòu)的制備中，制備了最小寬度為43納米的不同寬度的磁性氧化物L(fēng)BMO納米線條，觀察到納米結(jié)構(gòu)中不同于體材料的金屬-絕緣體相變現(xiàn)象;制備了單層石墨烯的極細條帶，發(fā)現(xiàn)隨著石墨烯線寬的變小，基于石墨烯條帶的場效應(yīng)器件的開關(guān)比明顯增加。最后，我們研究了在不同的曝光劑量和加速電壓下發(fā)生負膠轉(zhuǎn)變的PM

5、MA特性，通過對其高度變化、抗氧反應(yīng)離子刻蝕能力、抗氬離子刻蝕能力以及拉曼光譜的表征，得到了負膠PMMA作為掩膜的合適劑量和加速電壓。
　　第三章中，我們側(cè)重發(fā)展三維納米結(jié)構(gòu)的一些制備方法。本章的第一部分展示了我們發(fā)明的軟掩膜印刷技術(shù)，可以實現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)在各種非平整襯底上的制備。這種方法首先在覆蓋有二氧化硅薄層的硅襯底上旋涂PMMA，并使用電子束曝光制備孔隙圖形，再通過PMMA在KOH溶液中的水解得到懸浮的PMMA，隨后將這種PMM

6、A作為沉積掩膜覆蓋于非平整襯底之上，隨后沉積金屬、分子等材料、最終去除PMMA掩膜，便可以在非平整襯底上得到與孔隙形貌相對的納米結(jié)構(gòu)。使用軟掩膜技術(shù)，我們在不同形貌的曲面上制備得到了不同材料的納米結(jié)構(gòu)，并研究了這種方法的線寬分辨率以及重復(fù)使用能力。在本章的第二部分，我們利用PDMS-石墨烯-PMMA柔性復(fù)合材料在加熱冷卻過程中產(chǎn)生的應(yīng)力失配制備出褶皺的石墨烯，并探討了褶皺形貌的調(diào)控方法。在本章第三部分，通過加熱冷卻的方式對不同的光刻膠線

7、條進行玻璃化重新塑性形成半圓柱形基座，再將軟掩膜覆蓋于基座上，沉積納米結(jié)構(gòu)并去除基座，制備出高度、周期、間隔可調(diào)的波浪形納米結(jié)構(gòu)陣列和空氣橋型三維納米結(jié)構(gòu)。我們還提出了基于這種結(jié)構(gòu)構(gòu)建石墨烯頂柵器件和磁性氧化物納米線局域場器件的設(shè)計方案。
　　第四章中，我們主要開展電子束曝光技術(shù)在制備等離激元器件中的應(yīng)用。我們使用PMMA負膠掩膜法和模板剝裂法分別制備出金納米棒陣列，通過形貌和CL表征，發(fā)現(xiàn)后一方法制備的納米結(jié)構(gòu)表面平整度較好，C

8、L信號的信噪比更高。隨后我們使用自己發(fā)展的水解PMMA轉(zhuǎn)移金納米結(jié)構(gòu)的方法制備了表面極平整的納米結(jié)構(gòu)，這種方法繼承了模板剝裂法的樣品表面平整度，并顯著減弱了模板剝裂法在圖形轉(zhuǎn)移過程中出現(xiàn)樣品破損，還具備在非平整襯底上進行納米加工的能力。利用這一方法，我們在不同直徑的毛細管表面成功制備出不同形貌的等離激元陣列。本章的最后部分，我們發(fā)展了一種微間隔的蠟紙印刷技術(shù)，這種技術(shù)可以克服普通蠟紙印刷術(shù)中樣品的暈影展寬問題，同時也避免了接觸式模板在脫