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1、纳米制造及其关键技术简介机械制造技术基础专题研究与讨论摘要 纳米制造是多学科的新型交叉研究领域，对其基础研究的深入展开可为前沿制造技术的进步提供有力支撑。在过去的20 多年里，基于纳米制造的探索已展示出宽广的发展前景，并将在多个行业为社会带来巨大的经济效益。纳米制造可分为机械加工、化学腐蚀、能量束加工、复合加工、隧道扫描显微技术加工等多种方法。本文在简要介绍纳米制造背景、应用的同时，着重介绍纳米制造技术的加工技术。关键词：纳米制造 纳米机械加工 能量束加工 隧道式近场放电加工1. 综述 纳米科学技术是目前发展迅速、最富有活力的科学技术领域，受到世界各国的高度重视。纳米科学与技术集合交叉了多学科
2、内容，是一个融前沿探索、高技术、工程应用于一体的科学技术体系。纳米科技在纳米尺寸范围内认识和改造自然，开辟了人类认识世界的新层次，使人们改造自然的能力直接延伸到分子、原子尺度水平，这标志着人类的科学技术进入了一个新时代。许多专家认为，以纳米科学为中心的科学技术将成为21世纪的主导。纳米科技包括有：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米制造学等等。其中纳米制造学占有重要地位。纳米科学技术在不同的科学领域有具体的内涵和表现，纳米制造科学技术主要涉及到纳米量级（0.1100nm）的几何加工精度、形位加工精度和表面粗糙度。纳米制造任务不是由某一项技术独自完成的，而是由许多方
3、法和技术所共同承担。这些方法相辅相成，各具所长，构成了纳米制造技术群，承担着丰富多样的纳米制造任务。从实现纳米微结构的方式和途径来看，构成纳米制造技术体系的方法可以分作为两类：一种是通过原子、分子的移动、搬迁、重组来构成纳米尺度的微结构，即所谓的自下而上 (Bottomup)的方法，基于扫描隧道显微镜STM的原子搬移方法属于此类；另一类方法是将大的原材料加工变小，逐步形成所需要的纳米结构或器件，这种通常所见的方式可称为自上而下 (Topdown)的方式，束流、超精加工等许多方法都属于这一类。另一方面，纳米制造技术也可以按在制造过程中材料的增减方式进行分类：减材过程(微蚀除、切削加工、电加工、激
4、光加工等)、增材过程(微沉积、ILGA精密电铸)。纳米制造有着重要的工业前景，是许多技术领域发生重大发展的基础和支撑技术。纳米制造科学技术领域还存在许多未知，需要人们去探索、了解、掌握、发明和创造。纳米制造的新概念、新技术、新工艺将不断出现，在生产实际中的应用会愈来愈深入和广泛。2. 纳米技术与纳米制造纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、
5、核分析技术）结合的产物。图1 利用纳米技术将氙原子排成IBM图2 应用纳米技术制成的服装纳米制造是描述对纳米尺度的粉末、液体等材料的规模化的生产，或者描述从纳米尺度按照自上而下或自下而上的方式制造器件，是纳米技术的一项具体的应用。“纳米制造”尽管被美国国家纳米技术倡议（NNI）等广泛使用，但并没有给出纳米制造的明确定义。相反，纳米组装则被定义为：通过直接或者自组装方法，在原子或分子水平上制造功能结构或者设备的能力。相对于纳米组装而言，纳米制造更偏重于纳米技术产品的工业级别制造，其重点更多的在于低成本和可靠性等方面。3. 纳米制造技术的制造对象广义地说，只要尺寸至少在一维尺度上小于100nm结构
6、都是纳米技术的制造对象。具体言之，该结构应满足以下几点要求：(1)它是一种符合物理和化学定律的结构，这些定律是在原子水平级上的。(2)它是一种生产价格不超过所需原材料和能源成本的结构。(3)它能定位装配和自我复制。定位装配就是在适当地方放上适当的分子零件；自我复制能始终保持价格低廉。纳米技术发展的不同时期，纳米制造对象的内涵也不同。例如，1990年以前，主要集中在纳米颗粒(纳米晶、纳米相、纳米非晶等)以及由它们组成的薄膜与块体的制备；而1990年到1994年间主要是制备纳米复合材料，一般采用纳米微粒与微粒复合、纳米微粒与常规块体复合、以及发展复合纳米薄膜；1994年以后，纳米制造的对象开始涉及
7、纳米丝、纳米管、微孔和介孔材料；未来的方向则是制作仅由一个或数个原子构成的“纳米结构”，并以此来构筑具有三维纳米结构的系统。4. 纳米制造的加工技术按加工方式，纳米级加工可分为切削加工、磨料加工（分固结磨料和游离磨料）、特种加工和复合加工四类。纳米级加工还可分为传统加工、非传统加工和复合加工。传统加工是指刀具切削加工、固有磨料和游离磨料加工；非传统加工是指利用各种能量对材料进行加工和处理；复合加工是采用多种加工方法的复合作用。纳米级加工技术也可以分为机械加工、化学腐蚀、能量束加工、复合加工、隧道扫描显微技术加工等多种方法。机械加工方法有单晶金刚石刀具的超精密切削，金刚石砂轮和CBN砂轮的超精密
8、磨削和镜面磨削、磨、砂带抛光等固定磨料工具的加工，研磨、抛光等自由磨料的加工等，能束加工可以对被加工对象进行去除，添加和表面改性等工艺，例如，用激光进行切割、钻孔和表面硬化改性处理。用电子束进行光刻、焊接、微米级和纳米级钻孔、切削加工，离子和等离子体刻蚀等。属于能量束的加工方法还包括电火花加工、电化学加工、电解射流加工、分子束外延等。STM加工是最新技术，可以进行原子级操作和原子去除、增添和搬迁等。4.1 纳米机械加工纳米机械加工技术具有原理简单、应用广泛的特点，是一种重要的由上而下的纳米加工技术。典型的纳米机械加工技术包括金刚石刀具车削、金刚石磨粒加工以及金刚石微探针纳米刻划。上个世纪80年
9、代，日本大阪大学和美国劳伦斯实验室开展了超精密切削加工极限的实验研究，使用单点金刚石刀具直角车削电镀铜，实现了切削厚度为 1nm 的稳定切削。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所采用弹性顶针式光栅刻划刀刀架和圆弧形刀刃光栅刻划刀，加工出了刻线密度为1001/mm的 10.6Lm激光系统用 30 m曲率半径凹面金属光栅。图3 纳米刃口刀具的制备图4 基于所制备的刀具制造的菲涅耳衍射元件4.2微细电解加工电解加工是利用金属阳极电化学溶解原理来去除材料的加工技术，这种加工原理使得电解加工具有微细加工的可能。如图5所示，电解加工系统由阴极、阳极、电源、电解液及电解槽等部分组成。通过降低加工电压、提高
10、脉冲频率和电解液浓度, 可将加工间隙控制在10m以下。图5 电解加工原理图6 电解加工机床4.3 能量束加工能量束加工包含电子束加工、离子束加工和激光束加工，可用于打孔、切割、刻蚀、焊接、表面热处理、表面改性等加工。下面介绍电子束加工。电子束加工原理如图7所示，在真空中将阴极（电子枪）不断发射出来的负电子向正极加速，并聚焦成极细的、能量密度极高的束流，高速运动的电子撞击到工件表面，动能转化为热能，使材料熔化、气化并在真空中被抽走。控制电子束的强弱和偏转方向，配合工作台x、y方向的数控位移，可实现打孔、成型切割、刻蚀、焊接、表面热处理、光刻曝光等工艺。可在0.5mm不锈钢板上加工出3m的小孔，切
11、割出36m的窄缝，可在硅片上刻出宽2.5m、深0.25m的细槽。集成电路制造中广泛采用电子束光刻曝光，由于电子束射线的波长比可见光短得多，所以比用可见光光刻可以达到更高的0.25m线条图形分辨率。用波长更短的x射线聚焦后对特殊的光敏抗蚀剂进行扫描曝光，可以刻蚀出更精密的图形。图7 电子束加工原理图图8 电子束加工设备4.4基于STM的纳米加工扫描隧道显微镜(STM)是一种基于量子隧道效应的高分辨率显微镜，它可达到原子量级的分辨率，同时它还可以进行原子、分子的搬迁、去除和添加，实现纳米量级甚至原子量级的超微细加工。在STM工作时，探针针尖与工件表面之间保持1纳米以下极其微小的距离，施加在针尖和基
12、材间的电压导致很高的场强，产生隧道电流束。通过改变场强等某些参数，处于针尖下的样品由于电子束的影响会发生某些物理化学变化，如：相变、化学反应、吸附、化学沉淀和腐蚀等，这就给“加工”提供了可能。同时由于隧道电流束空间通道极其狭小，因此受到影响或发生反应的表面区域也十分微小，直径通常在纳米量级。在如此小的区域上发生某种反应和变化意味着纳米级加工、纳米级微结构的制造。自1981年STM问世以来，基于它的加工技术己经进行了很多探索性工作，研究在多个方面展开：微小粒子及单原子操作、表面直接刻写、光刻、沉积和刻蚀，已经有许多加工实例被演示和报道。利用STM技术进行刻蚀和沉积也受到特别关注。加工过程可在溶液
13、中或气相环境下进行。采用稀释的HF等腐蚀性液体作为电解液，施加适当的隧道电流、偏置电压和扫描速度，可在某些材料上进行直接刻蚀，腐蚀出纳米级宽度的线条，而当采用含有金属离子的电解液时，通过适当的加工规准和条件，针尖对应的局部微小区域会产生金属离子的电化学沉积，形成纳米级宽和高的微结构。STM可以提供低能聚焦电子束，由计算机控制作精确的扫描运动，对涂覆了抗蚀膜的样品表面进行直写光刻口由于这个低能电子束的束径极小，因此可以获得很小线宽的图形。通过对抗蚀膜显影处理、金属沉积、抗蚀膜去除等一系列工艺，最终在表面形成金属薄膜构成的图形。STM在纳米刻蚀方面的表现已引起极大的关注。图9 STM结构示意图图1
14、0 STM 加工系统4.5 复合加工复合加工是采用几种不同的能量形式、几种不同的工艺方法, 相互取常补短、复合作用的加工技术, 例如电解研磨、超声电解、超声电解研磨、超声电铸、超声电火花、超声激光加工等等, 可比单一加工方法更有效, 适用范围更广泛。5.结束语纳米制造是纳米科学技术的核心部分。它是高度交叉的综合性学科,这一新的学科体系正在形成,它涉及到许多新原理、新技术、新思维,交叉融会了多学科知识。纳米制造技术在航空、航天、电子、信息、微机械、生物、医疗等领域有着广阔的应用前景。通过查阅资料，我对纳米制造技术有了初步的认识，了解了纳米制造与传统的制造工艺的主要不同与其各自的优势，从整体上把握
15、了纳米加工常用的几类方法，并对其中典型的方法进行了初步了解。纳米制造及其关键技术是一项范围很大的研究题目，涉及到物理、化学、机械、等多领域的知识，在短时间内是不可能尽数掌握的，但在撰写小论文的过程对我开阔视野、扩展知识面有着很大的帮助。参考文献：1 朱荻. 纳米制造技术与特种加工D. 南京：南京航空航天大学.2 房丰洲. 纳米制造基础研究的相关进展J. 中国基础科学, 2014, 5: 9-15. 3 沈健. 纳米技术进展研究D. 中南大学, 2004.4 丁成伟. 高频窄脉一冲微细电解加工机理的研究D. 山东大学，2008.5 张华丽. 基于扫描探针显微镜的纳米加工相关理论及技术研究D. 哈尔滨工业大学，2008.6 赵家齐,永丰,刘永红,赵万生. 用于纳米级加工的特种加工技术J. 仪器仪表学报, 1995, 16(1): 42-46.7 百度百科：纳米加工技术. http:/. 2015-1-19.8 百度文库：纳米制造技术. http:/. 2015-1-19.9 何丹农. 纳米制造M. 上海：华东理工大学出版社, 2011.12.
