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《吉林大学》 2013年
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功能金属微纳结构的飞秒激光制备与集成技术研究

徐彬彬  
【摘要】:金属微纳结构制备技术在微电子、光电子器件研制中具有重要地位,例如,铜工艺、12英寸晶圆、90纳米线宽曾被称为引导半导体发展趋势的三大浪潮,其中以铜代铝的纳米布线(铜工艺)在降低互联层厚度、降低寄生电容、提高器件可靠性方面起到了关键作用;微纳电极制备是石墨烯、碳纳米管、功能高分子等纳电子器件面临的主要挑战之一;表面等离子激元为光子器件纳米小型化提供了全新原理和路径,其工艺核心是金属微纳结构的设计与制备;而新原理微机电系统(MEMS)、纳机电系统(NEMS)、智能微机械和微流控芯片系统甚至需要三维金属布线,使用现有微纳加工方法难以实现。因此在某种程度上可以说,金属微纳结构制备的工艺水平决定了器件的研制水平。面对这一挑战,本论文以完全不同于传统IC光刻工艺的飞秒激光微纳加工技术为基础,以高性能微流控芯片等的功能部件制备与集成为目标,提出了飞秒激光光动力纳米组装和微纳器件柔性集成等新概念和新技术,实现了金属三维纳米布线以及基于布线技术的碳纳米管器件的制备,完成了微流加热器、微流混合器、表面增强拉曼(SERS)检测器等一系列功能微纳部件的制备及其在微流控通道的集成。具体创新成果总结如下: 1.提出飞秒激光光动力纳米组装新技术,利用多光子诱导还原金属种子以及金属种子表面等离子激元(SPPs)效应,实现了银纳米片阵列等深亚波长金属纳米结构的制备。我们提出的光动力纳米组装的概念是指以光为外力,利用激光提供光化学反应的能量、利用光压(光镊力)驱动原子、分子、离子和粒子等纳米基元的质量迁移促成的纳米有序结构制备方法。在用银离子前驱体溶液制备银纳米结构过程中,发现通过多光子吸收过程制备的银纳米粒子一方面起到光氧化还原催化剂的作用,在线偏振激光的作用下产生局域等离子体,在两极诱导出电荷,静电力的作用会让银离子在银纳米粒子两端继续被还原。另一方面纳米粒子相互之间在偏振光作用下由于静电作用互相吸引结合形成定向排列。从而纳米粒子的局域等离子体效应引导产生了纳米条纹,纳米条纹又继续引导产生银纳米片结构。在此基础之上,通过调制激光功率和前驱体溶液pH值实现对银纳米片结构厚度的调制,获得最薄银纳米片厚度为29纳米。并通过改变激光偏振方向调制银纳米片结构的生长方向。由此得到多层系银纳米微结构。通过对制备的银纳米片结构进行化学置换反应制备金银复合微纳结构,解决了单纯银SERS(Surface enhanced Raman Scatttering)结构化学稳定性不良的问题,得到具有高度稳定性和粗糙度可控的表面,适用于高稳定性高灵敏性拉曼检测基底和多种化学催化反应。另外,基于激光加工技术或结合其他技术,制备了多种类型的金属复合微纳结构。a)激光直写沉积银离子前驱体溶液和石墨烯氧化物混合悬浊液制备银-石墨烯复合结构,可以一步实现银离子的光还原和石墨烯氧化物的脱氧化。b)发现了通过脉冲能量放大的飞秒激光放大器直写处理砷化镓表面,可以获得图案化的富砷区;富砷区域砷化镓表面可以以电子供给的方式直接生长银纳米结构,从而实现了局域可控银纳米结构的生长,制备了银-砷化镓复合结构。c)利用天然有机物骨架(玫瑰花结构)或者激光加工制备的聚合物模板制备了聚合物-金属微纳结构用于SERS检测等。 2.将飞秒激光光动力纳米组装技术的应用成功拓展到半导体、金属等各种纳米粒子的直接组装,并实现了微纳结构和器件的原位装配和驱动。a)通过双相法合成直径为4纳米金纳米粒子,并通过激光诱导组装技术实现了金微纳结构的制备,解决了因为没有合适的金离子前驱体溶液导致激光微纳加工无法实现金微纳结构制备的难题。通过微区光场梯度力模型解释了光动力组装金纳米粒子的机制,计算获得金纳米粒子在激光光场中获得的最大驱动力为7.28皮牛。并通过制备金微纳导线实现了任意位置碳纳米管器件的柔性电互联,制备了碳纳米管场效应晶体管。b)通过组装半导体量子点(CdTe)获得了多种半导体微纳结构,最小线宽可以达到170纳米。由于量子点表面存在的大量缺陷,表面有很多自由电子化学性质非常活泼,上述技术已直接用于金属离子的还原从而制备量子点-金属微纳复合结构。c)通过合成具有顺磁特性的纳米粒子结合光动力组装技术制备了磁性微纳结构,研究了加工后的微纳结构的超顺磁特性及激光组装磁性纳米粒子的作用机制,通过激光二次加工技术在微机械表面光动力组装磁性微纳功能单元,实现了微型涡轮机的高速驱动,此技术适用于多种材料微器件。 3.提出微纳器件柔性集成的概念,具体是指在任意工艺步骤的器件上,利用激光光动力组装等办法,实现结构形状尺寸可设计、材料可选择、任意定位且精度很高的功能单元集成化器件制备方法。上述半导体纳米粒子线和超顺磁微纳涡轮机驱动部件的制备,实际上就是利用这一思想实现的。进一步的工作包括溶液前驱体金属纳米线的直接沉降制备。仍以微流控芯片为例,将飞秒激光直接紧聚焦于金属盐溶液,金属离子吸收光子能量,发生光还原反应,以纳米团簇或粒子的形式沉降于基底表面;激光焦点按照预先设定的程序扫描,实现了复杂基底上三维金属纳米布线的制备。实现在无有机包覆剂的情况下将飞秒激光加工金属结构的分辨率提高到125纳米,并且保证了金属微纳结构的优良导电特性。通过三维布线技术成功在微流控芯片内实现微区加热功能元件的柔性集成,实现高精度局域温控加热。基于深亚波长金属纳米片结构完成了位置、结构可设计的高灵敏度SERS检测器和高效催化反应器在微流控芯片系统内的集成。探索性制备了金属微电极结构并应用于微纳有机场效应晶体管的研究。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TN248

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