精细纳米结构制造与操纵技术的研究

论文摘要

随着纳米技术的发展,100nm以下的纳米加工技术成为人们关注的焦点。而扫描探针显微镜(SPM)加工技术正成为纳米加工技术中最为重要的一个分支。在本文中我们着重研究了基于原子力显微镜发展起来的各种纳米刻蚀和操纵技术。本文利用了原子力显微镜对PMMA薄膜进行机械纳米刻蚀,总结了下压深度和加工速度对加工线宽的影响,完成了多种纳米沟槽结构的加工。探索了碳纳米管在有机溶剂配合表面活性剂的超声分散过程。并最终利用原子力显微镜对碳纳米管进行了各种操纵实验。飞秒激光照射纳米颗粒表面时由于Mie式散射、透镜效应和金属纳米颗粒的表面等离子体效应使得飞秒激光在近场区域内的能量密度大大增强,从而可以在近场区域内突破衍射极限完成对各种材质的纳米加工。由此我们基于这一原理探索出了一套飞秒激光局域场加强纳米加工系统,通过使用微焦量级、脉宽为130fs、波长为800hm的飞秒激光照射原子力显微镜探针针尖来实现对材料的纳米加工。在对金薄膜的局域场加强纳米加工中,我们探讨了激光能量密度、加工速度和探针与样品间距离对加工线宽及加工深度的影响。加工线宽随着能量增大而增大,随着加工速度的增大而减小。而当探针在与金膜样品之间的距离不断减小的过程中,加工线宽呈高斯分布的状况。实验最后获得了10nm的最小加工线宽(在一般技术中无法顺利得到)。在对高分子薄膜PMMA的局域场纳米加工中,我们发现加工线宽随着能量的增大而增大,其加工线宽与激光能量的关系和其材料自身性质有着重要的联系。使用了三维有限时域差分法(finite difference time domain method)方法来模拟了不同条件下的针尖和样品的光场分布情况。通过调节探针和样品距离以及入射光波长等系统参数分析了探针表面的光场分布情况当我们减小针尖和样品距离时发现场增强系数变化呈高斯分布,而当我们利用红外激光照射探针是出现了“天线效应”即探针表面能量较低,使用蓝光时“天线效应”消失。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 发展背景
• 1.2 基于AFM对纳米加工技术
• 1.2.1 机械刻蚀
• 1.2.2 电致刻蚀
• 1.2.3 光致刻蚀
• 1.2.4 热致刻蚀
• 1.2.5 浸笔印刷术
• 1.3 基于AFM的纳米操纵技术
• 1.3.1 碳纳米管器件的装配
• 1.3.2 自组装单层膜技术在碳纳米管器件制造中的应用
• 1.4 近场光学理论与应用
• 1.4.1 近场光学显微原理
• 1.4.2 近场光学显微镜的发展
• 1.5 本课题研究的目的和内容
• 1.5.1 本课题研究的目的
• 1.5.2 本课题研究的内容
• 第二章 原子力显微镜微纳加工和纳米操纵
• 2.1 基于原子力显微镜的微纳加工技术
• 2.1.1 实验系统
• 2.1.2 原子力显微镜刻蚀控制原理
• 2.1.3 样品准备
• 2.1.4 采用contact方式下的实验结果
• 2.1.5 采用non-contact方式下的实验结果
• 2.2 原子力显微镜碳纳米管操纵
• 2.2.1 碳纳米管分散
• 2.2.2 碳纳米管操纵
• 2.3 本章小结
• 第三章 近场光学的数值分析方法
• 3.1 近场光学分析原理和方法
• 3.1.1 基于有限差方法的近场光学理论分析
• 3.1.2 基于边界积分方程的理论和分析方法
• 3.2 物理模型设计
• 3.3 数值求解与结果分析
• 3.3.1 数值求解及算法推导
• 3.3.2 数值求解过程中的具体的算法调节
• 3.3.3 光场模拟结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 局域场加强条件下的近场加工
• 4.1 局域场加强近场加工系统实验系统和方法
• 4.1.1 实验系统
• 4.1.2 实验方法
• 4.2 实验结果与分析
• 4.2.1 加工能量对线宽的影响
• 4.2.2 加工速度对线宽的影响
• 4.2.3 针尖距离对线宽的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 聚合物薄膜飞秒激光局域场增强纳米光刻研究
• 5.1 实验系统与方法
• 5.2 激光能量对线宽的影响
• 5.3 实验结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 存在问题
• 6.3 展望和建议
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间参与的科研项目
• 攻读硕士学位期间发表的论文