微纳米制造技-微纳米制造技术的摩擦学挑战.doc

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1、卷第期摩擦学学报年月微纳米制造技术的摩擦学挑战雒建斌何雨温诗铸钟掘清华大学摩擦学国家重点实验室北京中南大学机械工程学院湖南长沙摘要评述了国内外航天信息和军事等高技术领域中微纳米制造技术的研究现状和发展趋势介绍了微纳米制造技术特征及其关键技术问题揭示了当器件的尺度由毫米量级减小到微米甚至纳米量级时微器件材料表而和界而的摩擦学摩擦磨损及润滑力学和化学等及其控制方法是微纳米制造研究中急需解决的关键技术问题这些问题的解决对摩擦学研究提出了严峻挑战新的摩擦学理论和技术的出现将为微纳米制造技术的发展以及相关问题的解决提供保障关

2、键词微纳米制造技术表而与界而摩擦学挑战中图分类号文献标识码文章编号国内外研究现状和发展趋势随着现代科学技术的发展人们不断追求尺度小且性能完善的微型装置以适M信息生物环境医学航空航天和灵巧武器等领域的要求这一发展趋势对于现代制造科学技术的发展具有深远的影响冃刖微纳米制造技术已成为制造业发展的重要方向是世纪最具有前景的大领域和当今世界竞争最激烈发展最迅速的领域z—微纳米器件中起主导作用的是微纳米电子器件针对继硅基微电子器件Z后将会出现何种纳米电子器件冃前国际上已提出了多种解决方案其思路基本可分为种其一为研究开发最小特征

3、线宽为的器件作为现有集成电路的进一步微细化其设计思想基木不变但在材料光刻和掺杂等制造要素的原理与工艺方面将会发生较大变化如有可能使用有机物或聚合物材料从而制得有机纳米电子器件其二则与现有微电子原理和工艺完全不同利用量子效应构成全新的量子结构系统国内外有关实验室己在研究齐种可能的器件模式如量子点量子线单电子晶体管单原子开关及自旋电子器件等而纳米量子结构中波函数工程的提出使得研究者有可能从量子态波函数出发來设计新一代量子器件开辟了量子相干的电子和光电子新领域这些研究R前尚处丁基本现象发现基本原理探索和基本结构实验阶段但

4、进展很快如美国哈佛大学荷兰大学等用碳纳米管和纳米导线为材料成功制备出了二极管和场效应晶体管美国加里福尼亚大学伯克利分校和贝尔实验室尝试用儿白个原子的晶体制作量子岛美国加里福尼亚大学洛杉机分校和惠普实验室开展了利用共振隧道效应使有机分子实现通断状态转换的实验研究等这些基础研究显示了下一代电子器件发展的新方向和进入量子化的新阶段但上述原理性的实验如何才能演变为具有运算功能的电路和器件还有赖于进行一系列由功能原理向制造原理转化的研究微电子机械系统是电子与机械相结合的微机电系统具有微驱动微制动机电微结构集成的特点在尺度趋向

5、微米纳米时小尺度效应产生的问题需要利用新的原理来加以解决而多能域电机械执八、、光和化学等耦合问题在屮更为突出是与材料特性和制造过程多参数相关的复杂系统问题高性能电子器件向更小尺度史高功效的发展既是市场的需耍更是科学自身发展的必然冃前世界范囤内针对纳米电子器件和分子电子器件的研究刚起步以为核心的微生命系统微惯性系统和微传感系统虽已有产品问世但由于缺乏共用元件和技术模式因此相应的器件和技术研究仍有广阔的发展空间美国基金项R国家自然科学基金资助项冃国家重点基础研究发展计划计划资助项冃收稿日期修回口期联系人雒建斌作者简介雒

6、建斌男年生博士教授博导冃前主耍从事纳米润滑与微纳制造技术研究半导体工业协会预计冃前这场采用纳米量子结构的信息技术硬件革命完全可以与年前用微电子集成芯片取代晶体管所引发的那场革命相提并论在微纳米制造领域我国在关键制造理论与技术方面已开展了大量研究工作但由丁•科技投入力度较弱整体与国际差距很大所以我们应及早把握住这一重大科技发展方向抓住机遇力争在微纳米制造技术领域的竞争中赢得优势实现我国由制造大国向制造强国的转变微纳米制造技术特征及其对摩擦学挑战在微纳米制造技术中由丁制造的特征尺寸如精度间隙表而粗糙度及芯片线宽等达到纳

7、米量级结构尺寸有时也达到微米甚至纳米量级因此111现了一系列新的科学问题当器件的尺度从减小到时面积减小近百万倍而体积减小近亿倍此时止比于而积的摩擦力粘性力和表面张力等阻力与正比丁体积的惯性力和电磁力等相比增大达数千倍正因为如此在微纳米器件的设计制造和使用过程中发生在表面和界面的摩擦学热学和花学等行为占据了主导地位而深入揭示这些表面行为的规律并寻求其有效的控制方法是当前微纳米制造科学和技术亟待解决的重要课题一般认为微纳米制造技术涉及到以下关键共性制造技术微结构制造技术单位体积或单位而积内功能结构单元的密度往往决定着产

8、品的性能冃前有种微结构制造方案即自上而下和自下而上的方案自上而下技术主耍立足于传统的加工方式通过不断进行技术创新来突破原有的加工极限以实现微小结构的制造代表工艺有光刻技术微压印技术和离子束刻蚀技术等以集成电路制造为例其线宽达以下故特别需耍关注线宽为的集成电路制造技术自下而上的制造技术则主要立足于分子自组装技术生物自复制技术和微操纵技术等公司制作的由个铁原子构