硅表面功能化结构制造技术及实验研究

论文摘要

自20世纪80年代末以来,纳米技术在信息、材料、生物、微电子和微制造方面显示出越来越重要的应用前景,已成为世界关注的重要科技前沿之一。随着纳米科学技术的发展,设计和构筑具有特定功能和性质的纳米结构成为人们十分感兴趣的研究热点。而且随着电子器件越来越小型化,人们对纳米结构的需求也越来越迫切,需要对其进行广泛的探索和研究。通过自组装技术,以纳米材料为单元,能有效地构筑纳米或微米尺度上的功能结构。本文利用机械与化学结合的方法在四类溶液中用金刚石刀具刻划硅片,使得有机分子和硅之间以共价键连接,实现了对硅片的“成形并功能化”的一步完成,为纳米尺度功能化结构的构筑提供了一定的实验基础。（1）首先分析了硅在芳香烃重氮盐、烯烃、卤代烃和醇四类材料中可控自组装的反应机理,比较各种材料的成膜难易度及膜的稳定性。（2）利用可控自组装微加工系统,在溶液中对硅表面进行可控自组装实验,初步研究了切削刀具、切削力大小等五种因素对切削处生成自组装膜（SAMs）质量的影响,总结出较适合膜生长的参数。（3）用原子力显微镜（AFM）对自组装膜的表面形貌进行了表征,用X射线光电子能谱（XPS）、红外光谱对自组装膜进行了检测,用接触角仪测量了六种自组装膜的接触角,并利用原子力显微镜对自组装膜的纳米机械性能进行了检测,证明机械-化学方法可以方便快捷地实现硅表面的改性。（4）在硅表面通过刻划组装形成苯甲酸重氮盐单层膜,在膜上进行了共价连接单链DNA（ssDNA）的初步研究,利用荧光显微镜检测到了DNA的存在,实现了DNA在硅表面的有效固定,并通过实验研究了单链DNA探针的浓度对其固定效果的影响,为构建DNA生物传感器和DNA芯片奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 基于分子自组装的纳米制造技术
• 1.2.1 分子自组装膜
• 1.2.2 硅表面分子自组装
• 1.3 机械及化学方法制备功能化纳米结构的研究现状
• 1.3.1 基于AFM 的纳米刻蚀术
• 1.3.2 其它刻蚀术
• 1.4 硅表面功能化自组装膜及其性质
• 1.4.1 自组装膜的纳米机械摩擦性能检测
• 1.4.2 硅表面自组装膜的功能化
• 1.5 课题来源及研究内容
• 第2章 反应机理分析与微加工系统的建立
• 2.1 可控自组装反应机理分析
• 2.1.1 氧终止与氢终止的硅表面
• 2.1.2 硅表面自组装膜形成机理
• 2.2 微加工系统的建立
• 2.2.1 三维精密微动工作台
• 2.2.2 三维手动工作台
• 2.2.3 微测力仪系统
• 2.3 本章小结
• 第3章 硅表面可控自组装膜制造技术研究
• 3.1 实验设备及材料
• 3.1.1 实验设备
• 3.1.2 实验基片
• 3.1.3 实验药品及试剂
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 硅片的预处理
• 3.2.2 芳香烃重氮盐溶液的配制
• 3.2.3 利用CCD 放大系统和微测力仪对刀
• 3.2.4 微加工结束后的处理
• 3.3 对硅表面自组装膜的检测与表征
• 3.3.1 用原子力显微镜对自组装膜进行表征
• 3.3.2 用X 射线光电子能谱对组装膜的检测
• 3.3.3 红外光谱对组装膜的检测
• 3.4 影响硅表面自组装膜质量的多因素分析
• 3.4.1 不同切削刀具对成膜质量的影响
• 3.4.2 切削力对表面加工质量的影响
• 3.4.3 刀具刻划速度对表面加工质量的影响
• 3.4.4 组装时间对自组装膜的影响
• 3.4.5 溶液浓度对自组装膜质量的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 硅表面自组装结构的纳米机械性能检测
• 4.1 典型微结构的加工试验
• 4.2 对自组装膜表面接触角的测量与分析
• 4.2.1 接触角及其基础理论
• 4.2.2 接触角检测方法及接触角仪系统简介
• 4.2.3 接触角的测量和结果分析
• 4.3 利用原子力显微镜检测纳米机械性能
• 4.3.1 利用接触模式检测纳米摩擦性能
• 4.3.2 利用力曲线检测粘着力
• 4.4 各种材料自组装膜表面机械性能的检测
• 4.4.1 各种材料自组装膜表面的摩擦力分析
• 4.4.2 利用力曲线检测自组装膜的粘着力
• 4.5 本章小结
• 第5章 硅表面自组装膜功能化的初步研究
• 5.1 在自组装膜上连接单链DNA
• 5.1.1 单链DNA 通过自组装膜连接硅的原理
• 5.1.2 实验方法
• 5.1.3 用荧光显微镜检测连接在自组装膜上的单链DNA
• 5.2 在自组装膜上连接单臂碳纳米管及其他纳米粒子
• 5.2.1 在自组装膜上连接单臂碳纳米管
• 5.2.2 碳纳米管通过芳烃重氮盐连接硅的原理
• 5.2.3 其他纳米粒子的自组装技术
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢