关键词： 氧化锌   微纳米线   压电效应   传感器   太阳能电池   微纳器件   性能调制  

摘要： 随着纳米技术的发展，人们对各种微纳米器件的要求越来越高，它需要具有超小的尺寸、超高的灵敏度、卓越的多功能等。压电电子学和压电光电子学器件能够利用机械信号对这些器件直接产生控制，这是面向未来的新领域。本论文正是基于压电电子学和压电光电子学，制备和研究了多种微纳米器件，为纳米技术的发展和微纳米器件的进一步应用奠定了基础。主要内容如下:\n 一、利用单根ZnO微/纳米线制备了柔性的肖特基接触的湿度传感器，发现器件对不同的湿度具有很好的响应。通过压电电子学效应对器件的性能进行调制，不仅能提高器件的探测分辨率，也能提高其灵敏度。其中，在相对湿度为15.0％的条件下，对器件施加-0.22％的压缩应变时，获得最高的响应度为1240％。\n 二、基于单根ZnO微/纳米线，我们分别制备了Pd修饰的H2传感器和NO2传感器。在室温下，两种传感器分别对H2和NO2的探测显示出良好的气敏响应。其中，器件对H2的最低探测浓度为80 ppm，NO2为160 ppm。通过压电电子学效应的调制，器件的性能也大幅度提高，对H2的响应提升了5359％，而NO2为238.8％。\n 三、我们制备了柔性的单根ZnO微/纳米线钙钛矿太阳能电池。我们系统地研究了压电光电子学对器件性能的影响，并对其性能进行优化。实验表明，压电光电子学效应可以通过对器件施加的应变类型和ZnO线的极性类型提升太阳能电池的性能。当对器件施加的压缩应变从0％变到-0.8％时，效率从0.0216％提升到0.298％，提高了1280％。

关键词： 微纳系统   电子束光刻   电荷积累   高高宽比   邻近效应  

摘要： 电子束光刻技术在微纳系统的集成电路光掩模制造领域具有不可替代的作用,是推动微纳系统特征尺寸不断降低的关键技术,同时也是纳米电子学、纳米光学以及半导体量子结构制作等科学研究领域中不可或缺的加工手段。电子束光刻技术的性能不仅依赖于电子光学系统的状态、环境温度、空间磁场等外部条件,而且当工艺节点深入到百纳米级及以下时,工艺条件的控制也变得至关重要。例如绝缘衬底电荷积累问题的影响加剧了电子束直写图形扫描场拼接的误差;高高宽比纳米结构的粘连和坍塌现象制约了后续的刻蚀工艺;由于电子散射产生的电子束曝光邻近效应限制了电子束直写的有效图形分辨率、图形结构质量大幅度下降。为了有效地提高电子束光刻的加工精度和图形生成质量,本文对电子束光刻中的关键工艺技术及其相关机理进行了系统地研究。本论文从电子束光刻中的三个关键技术问题,即绝缘衬底的电荷积累、高高宽比抗蚀剂图形的坍塌及粘连、邻近效应影响图形分辨率,进行了详细论述,以PMMA,HSQ,SX AR-P 6200抗蚀剂为实验材料,研究了电子束光刻技术中影响抗蚀剂图形质量的因素,并探讨了问题产生机理及解决方法,通过理化分析手段对其进行了表征;开展了实验方法及工艺流程的设计,解决了关键工艺技术问题;通过建立电荷积累、高高宽比抗蚀剂图形坍塌及粘连、衬底中电子散射三种模型,以旋涂导电胶、电磁波加热及工艺优化与软件仿真相结合的方法解决相应问题。分别以三种抗蚀剂的纳米结构为检测对象,进行了性能测试分析,同时对其曝光机理进行了探讨。主要的工作内容如下:1.系统地总结了纳米电子束光刻中存在的各种关键工艺技术难点,并根据大量工艺实验结果分析了各工艺技术问题产生的原因,提出了相应的解决思路。2.针对电子束在绝缘衬底上所产生的电荷积累,以及在绝缘体衬底上孤立金属膜图形仍然无法疏导周边绝缘体表面电荷积累影响的问题,通过仿真分析其产生机理,建立物理模型,并提出一种在电子抗蚀剂表面旋涂一层富含导电微粒的水溶性导电胶疏散电子束直写所产生的积累电荷的方法。通过实验验证,该方法可以有效地抑制了直接在绝缘体衬底上或者非导电介质膜上进行电子束曝光时积累电荷排斥电子束的现象,取得理想的效果。3.深入地探讨了高高宽比抗蚀剂图形由于水的表面张力所导致的粘连及坍塌机理,提出了电子束曝光显影后直接通过电磁波加热去离子水进行干燥的方法。该方法是利用水分子在电磁波交变电场的作用下不断加速产生剧烈运动的机理,使去离子水在交变的电磁场环境下升温,分子间的氢键断裂,促使水分子团簇减小,降低水的表面张力。从实验结果可以看出,这一方法干燥显影后的高高宽比抗蚀剂图形取得良好效果。4.通过Monte Carlo模拟和曝光实验,从工艺条件、电子光学系统等方面分析了电子束曝光邻近效应产生的机制及主要影响电子束邻近效应校正前散射和背散射的因素。结合典型版图的制作,探讨了采用计算机软件模拟与曝光实验相结合进行邻近效应剂量调制校正的方法及过程,并对实验与模拟结果在校正前后的图形质量进行了分析和对比,确定了最优工艺流程。研究结果表明:在电子抗蚀剂表面旋涂导电胶,可以有效缓解电荷积累产生的场拼接误差并保证套刻精度;电磁波加热干燥显影后的高高宽比抗蚀剂结构图形,可以成功获取高260nm、宽16nm的光刻胶线条组和直径为20nm的光刻胶柱形阵列;通过预先优化工艺条件并结合软件校正的方法,抗蚀剂图形结构质量得到明显改善。

关键词： 第一性原理计算   石墨烯   类石墨烯二维材料   p-n结   高敏分子传感器  

摘要： 本篇论文主要针对目前低维材料在工业应用中遇到的两个关键性问题：石墨烯的零带隙局限及衬底对其电学特性的影响,并且分别以单层碳化硅材料和氟化石墨烯为切入点尝试进行解决。本文通过第一性原理计算对于这些类石墨烯二维材料的电学性能及其在电学器件中的应用进行了仿真及预测,具体内容包括：对于单层碳化硅材料p-n结传输特性的探究,发现了一个峰谷比大于104的差分负阻现象,并且在很宽的整流区间内发现了整流比高达104以上的整流现象,预测了其在微纳器件及下一代柔性器件中的应用前景;以及对于氟化石墨烯其氟化机理的分析,预测在ICP激发含氟气体氟化石墨烯的过程中,使用SF6气体能够得到更高质量的氟化石墨烯,并且对于氟化石墨烯在石墨烯高敏分子传感器中的应用作出了一定的预测性研究,发现石墨烯下表面加入氟原子指向石墨烯的单层氟化石墨烯C4F有可能对于有毒气体的探测起到非常好的增强效果。通过文中一些仿真的分析及预测,对于实验工作者提供了一定的指导意义以及启发,为目前工业领域的一些待解决问题提供了可行的解决方案。

关键词： 飞秒激光   时域整形脉冲   电子动态调控   损伤阈值   加工尺寸  

摘要： 飞秒激光微纳制造技术已经成为微纳制造领域的科研热点之一。光电器件的快速发展催生了飞秒激光脉冲整形技术的诞生,并使其在激光微纳制造领域得到快速的应用和发展。时域整形的飞秒激光脉冲由于能更灵活多样地调控自由电子动态(包括电子激发/电离、电子复合以及电子的温度和密度),从而能更好地调控由电子动态所支配的瞬时局部的光学与热力学特性,进而更深刻影响材料相变等过程,这为实现材料加工中的高精度、高质量、高效率加工提供了更大便利。然而,时域整形的飞秒激光脉冲的引入对于理解激光与物质相互作用的过程和机理提出了更高的要求,许多充满争议或未知的作用机理尚待澄清或揭晓。通过机理研究前瞻性地探索更优的可控性微纳加工具有重要的科学和工程意义。基于这些背景和基本科学思路,本文对于时域整形飞秒激光可控性微纳加工的典型调控机制进行了深入的理论和实验研究。本论文研究工作的创新点概括如下:(1)理论建模方面,有效地改进了飞秒激光与典型透明绝缘体材料相互作用过程中的电子激发描述和能量沉积描述。所提改进理论为其他课题的实验结果所支持,也在本文开展的实验研究中得到验证和进一步扩展。该模型抓住了时域整形飞秒脉冲与熔融石英相互作用过程中的关键物理过程,能大大提高时域整形飞秒脉冲损伤阈值的预测精度,成功地解除了以往典型模型在预测脉冲序列阈值的困境。(2)揭示了时域整形飞秒激光脉冲加工阈值的决定机理,对于选择性可控微纳加工具有重要借鉴意义。研究发现熔融石英等绝缘体的损伤阈值和加工尺寸主要受初始化雪崩电离的三种互相竞争的种子电子源所支配。这三种互相竞争的种子电子源为:由前续脉冲诱导的、尚未转变成自陷激子的残余自由电子,后续脉冲光电离中性原子产生的自由电子,以及后续脉冲光电离自陷激子产生的自由电子。当光电离自陷激子产生的自由电子居于主导时,实验现象表现为烧蚀面积和烧蚀阈值不受脉冲延时所支配,此时有利于加工出稳定的、尺寸更小的结构。(3)首次发现并解揭示了时域整形飞秒激光加工典型金属材料产生明显加工反差的决定机制。在金属镍上发现的烧蚀增强的加工结果,打破了以往所普遍预期的一个现象,即把一个单脉冲整形成具有脉冲延迟的一系列子脉冲会发生加工面积减小的普遍观点。理论计算表明,时域整形飞秒脉冲能通过调控金属材料的电子激发温度,促进或抑制瞬时局部的电子热扩散效应以及电子-声子能量耦合速率,进而实现提高加工效率或改善加工精度的目的。

关键词： 微纳柔性制造   印刷电子   金属网格透明导电膜  

摘要： 微纳加工技术主要应用在光电子和IC领域,随着国际新一轮印刷电子技术的发展,电路线宽越来越细,对印刷电子材料与应用技术提出更高要求,传统印刷术很难实现数微米以下精密电路。针对国际行业研究现状、工艺及最新进展,详细阐述微纳柔性制造技术的原理与特点。基于微纳图形化激光直写光刻技术、卷对卷纳米压印技术及其配套(微纳填充、转印和软压印)技术,以大尺寸透明导电材料的研发为例,微纳柔性制造在106.68 cm幅面上使印刷电路的线宽达到1.5μm。微纳柔性制造方法属于"加法"制造。展望了柔性制造在印刷电子材料产业发展中的前景和需求,指出微纳柔性制造与印刷材料的结合,有可能成为新一轮大尺寸柔性显示与触控、传感器件等产业发展的有力工具和推动性力量。

关键词： 无线电能传输   谐振耦合   微纳电子器件  

摘要： 简要介绍无线电能传输的发展、模式分类等,着重介绍了谐振耦合无线电能传输模式的工作原理,分析了此种模式在解决微型传感器能量供应方面的局限和优势,最后提出了无线电能传输应用于微型传感器的待解决问题。

关键词： 欧盟成员国   电子产业   产业格局   产业竞争力   市场占有率   经济增长   就业机会   欧洲  

摘要： 鉴于微纳电子产业对于提高产业竞争力、促进经济增长、创造就业机会至关重要，欧盟在分析产业发展形势和自身优劣的基础上，于2013年公布微纳电子产业战略，以增强欧洲的微纳电子产业竞争力，并在未来十年内大幅提高欧洲的市场占有率。根据该战略，今后7年欧盟、欧盟成员国和地区层面的研发创新总投入将超过1004g欧元。

关键词： 可延展柔性电子器件   无机半导体材料   屈曲   黏附  

摘要： 为适应下一代电子产品便携性、形状可变性、人体适用性等方面的进一步需求,近年来基于无机电子材料的可延展柔性电子技术成为全球电子产业界与学术界关注的新焦点.与有机柔性电子学器件不同,可延展柔性无机电子器件指的是建立在柔性基底上的无机电子组件.这种具有柔性的集成电路利用力学设计提供大变形,在保持无机脆性电子器件高性能和高可靠性的同时,具备形状可弯曲、可伸缩等柔性性能.本文综述了近年来无机柔性电子器件的进展,包括力学设计原理、基于界面黏附的转印集成方法以及柔性大变形下的失效机理等,并展望了未来的应用和发展.

关键词： 超快激光   脉冲序列   电子动态调控   第一性原理计算   飞秒激光加工  

摘要： 超快激光微纳制造是一个前沿的交叉学科领域，涉及机械、光学、物理、化学、材料等，在国防、生物、信息、医疗器件、汽车等领域应用广泛。超快激光指脉宽短于10ps （10-11s）的激光，具有超强和超快的独特优势，使制造过程在作用时间和峰值功率等趋于极端。超快激光制造中激光的能量密度一般大于1012W/cm2，非线性吸收（包括雪崩电离、多光子电离和隧道电离）等起主导作用，可控功率密度使选择性电离等电子动态调控成为可能。飞秒激光的脉宽大大短于电子-晶格弛豫时间（10-10～10-12s），激光能量的吸收在晶格变化（如升温）前已完成，电子与晶格处于非平衡状态，激光与材料相互作用过程决定于激光光子与电子相互作用的过程。非平衡态传热可极小化热影响区、微裂纹和重铸层，从而大大提高了加工质量；非平衡、非线性效应使超快激光制造机理完全不同于传统制造。因此，对超短激光加工的调控必须通过飞秒激光辐照过程中对电子动态的调控来实现。例如通过脉冲序列的设计，电离过程可以被控制、原子可以选择性地电离、分子中基态转动动力学可以被控制、化学反应过程可以被控制和飞秒脉冲下等离子体X射线的发射可以被显著地提高。 随着制造品质要求不断推向新的极端，对超快激光微纳制造进一步提出了新的挑战，如更高的加工效率、跨尺度加工、选择性及可控性加工等。理论方面，当时间短到飞秒和尺寸小到纳米时，许多经典理论已经不再适用，材料光学和热力学特性的瞬时局部变化极为关键，需要引入量子力学；超快激光与材料相互作用过程是一个从纳米到毫米、从飞秒到微秒的非线性、非平衡的复杂多尺度过程，尚不存在一个完备的理论模型可以全面描述，这已成为超快激光微纳制造的瓶颈热点问题。针对以上科学问题和挑战，所在课题组提出了基于电子动态调控的制造新方法：利用超快激光超快和超强的优势，通过协同调控激光能量时域/空间分布和材料物态/性质，调控光子-电子相互作用过程以调控瞬时纳米尺度电子动态（密度、温度、激发态分布等），从而调控材料局部瞬时特性（光学和热力学特性等），进而调控材料相变等过程，实现高精度、高效率和高质量的制造方法。 本文根据上述科学思路，开展超快激光与材料相互作用过程中材料瞬时局部电子动态的变化及其对加工过程影响的理论及实验研究，主要研究工作包括：（1）针对孤立系统（原子、分子和团簇）和晶体材料的不同，分别建立超快激光与材料相互作用的量子模型，理论上验证超快激光对材料局部瞬时电子动态（包括电子激发、电离、能量吸收、偶极矩、实空间的电子密度分布和自由电子占据等）调控的可行性；（2）运用超快激光与材料相互作用的量子模型，研究不同参数的超快激光作用下材料的电子动态的变化并分析总结其中的规律；（3）分析不同电离机制下材料的能量吸收过程，总结能量吸收与激光能量密度的关系；（4）根据理论结果和相关规律进行实验研究，分析不同飞秒激光脉冲（序列）参数和共振效应对加工结构的尺寸、加工形貌及重铸的影响，实验上验证基于电子动态调控的制造新方法的可行性。 本论文所取得的主要创新成果如下： 1.建立超快激光与原子、分子和团簇相互作用的量子模型（第一性原理计算），该模型能够很好地描述飞秒激光电离孤立系统的过程：通过模型计算得到的N2分子的电离率与实验结果相吻合；研究了共振效应对飞秒激光作用下Li4团簇电子动态的影响，发现在相同能量密度的飞秒激光作用下，共振效应电离出的电子和吸收的总能量高出非共振情况的结果近2个数量级；在低能量密度多光子电离机制占主导时，共振效应下才能够充分体现出来，而高能量密度隧道电离机制下共振效应不再明显。理论结果验证了通过共振效应可以提高超短激光微纳制造的加工效率。相关创新成果发表在Journal ofApplied Physics （2013,114:143105）上。 2.由于超快激光作用到晶体材料表面时产生的自由电荷会抑制激光的作用，因此我们考虑了激光场和自由电子产生的感应电场的共同作用，并建立超快激光与晶体材料的量子模型（第一性原理计算）。运用上述模型，首次研究了不同参数的飞秒激光脉冲（序列）对典型晶体材料的电子动态影响并总结出相应的规律，以指导加工实验。相关创新成果发表在Physics Letters A （2011,375:3200-3204）、Journal of Physics:Condensed Matter （2012,24:275801，封面文章）和Energy Materials Nanotechnology FallMeeting （2013，会议封面）会议上。 3.运用超快激光与晶体材料相互作用的量子模型（第一性原理计算），研究了从低通量(1012W/cm2)到高通量（1016W/cm2）区间，从多光子电离到隧道电离机制占主导情况下金刚石材料电

关键词： 军用电子装备   电子工业   半导体工业   半导体技术   DARPA   应用系统   CMOS   成本优势  

摘要： 美、欧、俄继续加强微纳电子工业基础，以支撑军用电子装备发展。2013年1月，美国DARPA宣布，将在未来5年联合高校和产业界建立“半导体技术先期研究网络”，研究可替代CMOS的下一代新型器件及应用系统，确保美国半导体工业的全球领先地位。5月，美国战略和国际研究中心发布名为《美国半导体工业基础实际审查》报告。该报告称，近年来，美国半导体工业制造成本优势降低，国内制造能力与全球需求不匹配等问题日益突出，针对这些问题特建议在美国本土建立先进、稳固的半导体工业基础，以确保美国军用元器件供应链的安全。