第 1 章  緒論

本課題采用了基于 AFM 的機械刻劃技術(shù)、金屬鍍膜技術(shù)與剝離工藝（lift-off）相結(jié)合的方式，在硅基表面制備金屬納米線。盡管目前已有學(xué)者提出利用這種方法制備金屬納米線[12-13]，然而對于如何利用 AFM 與剝離工藝相結(jié)合的方式制備出尺寸可控的納米線尚未被探究。因此，本課題將就如何制備出尺寸在一定范圍內(nèi)可控的金屬納米線進行具體的探究分析。并利用光刻與剝離工藝相結(jié)合的方法制備納米線的外圍電路，在此基礎(chǔ)上制備金屬納米線，進而對納米線的電學(xué)性能進行測量分析。 利用 AFM 與剝離工藝相結(jié)合的方法制備金屬納米線的優(yōu)勢在于，，實驗成本較低、效率較高、制備步驟較為簡單快捷，且可以制備出位置可控、尺寸可控的多種材質(zhì)的金屬納米線。
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第 2 章 AFM 在聚合物薄膜表面的刻劃工藝研究 

2.1 引言

由于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜具有成本較低、易于制備、耐高溫、光學(xué)性能優(yōu)良以及較為穩(wěn)定的機械刻劃的特性，因此被廣泛應(yīng)用于材料機械性能的分析、電子束光刻技術(shù)（Electron Beam Lithography, EBL）、掃描探針加工（Scanning Probe Lithography, SPL）、以及刻蝕工藝（Etching）等領(lǐng)域當(dāng)中。由于 PMMA材質(zhì)較軟且易于溶于丙酮等多種有機溶劑當(dāng)中，因此本課題將 PMMA 薄膜作為AFM 探針的加工掩膜。本章重點研究了利用 AFM 刻劃 PMMA 薄膜時，影響納米溝槽寬度的因素，且對比分析了理論槽寬與實驗加工所得槽寬的差距。目的是利用實驗結(jié)果對納米槽寬的理論模型進行修正，從而根據(jù)所得的修正結(jié)果可以在實驗過程中通過選擇合適的參數(shù)得到理想尺寸的納米溝槽。這是后續(xù)制備尺寸可控納米線的基礎(chǔ)。 

2.2  聚合物薄膜的制備工藝

本課題中選用了氯苯作為 PMMA 的溶劑，其中 PMMA 分子量為 550,000，旋涂速度為 8000r/min，溶液濃度為 wt1.25%。由于利用移液器向硅基底滴 PMMA 溶液的過程中可能會引入少量空氣，這樣會導(dǎo)致所制備出的聚合物薄膜表面不均勻，因此在滴溶液后應(yīng)使溶液在空氣中靜置 1-2min。旋膠過后，將樣品放置于烘干箱中進行固化，烘干溫度為 125℃，烘干時間為 30min。固化聚合物薄膜的主要目的是增加聚合物薄膜與硅基表面的結(jié)合程度，且去除 PMMA 薄膜表面的殘余應(yīng)力。本課題采用以上步驟制備出的 PMMA 薄膜厚度為 30-50nm 左右。利用 AFM 檢測制得的 PMMA 薄膜表面形貌如圖 2-2 所示。

第 3 章  基于 AFM 納米刻劃技術(shù)的金屬納米線制備 .......... 29 

3.1 引言 ............. 29 
3.2 制備金屬納米線................ 29
3.3 制備金屬納米線的外圍電路 .............. 36
3.4 本章小結(jié) ......... 41 
第 4 章  金屬納米線的電學(xué)性能分析 .......... 42 
4.1  引言 .............. 42 
4.2  實驗方法及設(shè)備 ................. 42
4.3  實驗結(jié)果及分析 ........... 44
4.4 叉指型電極的制備 ......... 53 
4.5  本章小結(jié) .................... 54 
結(jié)   論.......... 55

第 4 章  金屬納米線的電學(xué)性能分析 

4.1  引言 

本章主要對不同材質(zhì)、不同尺寸的金屬納米線電阻進行測量分析。對金屬納米線的電學(xué)性能進行測量及分析是其在生物/化學(xué)傳感器以及微流控等諸多領(lǐng)域中應(yīng)用的基礎(chǔ)。但是由于納米線尺寸較小，因此要借助納米線的外圍電路并選擇合理的方案進行測量納米線的電學(xué)性能。通過分析金屬納米線的電學(xué)性能不僅能表征出納米線材料的性質(zhì)，而且能反應(yīng)出一定的量子效應(yīng)及表面效應(yīng)。另外，本章展示了利用 AFM 與剝離工藝相結(jié)合的方式不僅可以制備出單根的納米線，而且可以按需要在特定位置制備出尺寸可控的較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如叉指型電極。 

4.2  實驗方法及設(shè)備

如第三章內(nèi)容所述，由于納米線自身的尺寸較小，在光鏡下不易對其進行定位，更不易直接測量其電學(xué)性能.因此在上章中介紹了利用光刻與剝離工藝相結(jié)合的方法制備納米線的外圍電路，并在制備出外圍電路的基礎(chǔ)上制備金屬納米線。利用數(shù)字源表可以較為容易地測量尺寸為微米級甚至毫米級別的納米線外圍電路的電阻。 測量微米級結(jié)構(gòu)的電阻時較為常見的測量方案有兩種。第一種方法要借助導(dǎo)電銀膠，如圖 4-1 所示,將導(dǎo)電銀膠粘在外圍電路上，將數(shù)字源表的表筆接在兩端的銀膠上，從而測量外圍電路及其中間的金屬納米線的電阻。利用這種方法可以較為便捷地測量電阻。但是由于導(dǎo)電銀膠自身就具有一定的電阻，測量過程中電流噪聲對測量結(jié)果有較大影響，而且銀膠粘在測量結(jié)構(gòu)上時會破壞本身結(jié)構(gòu)，因此精確測量納米線電阻率時通常不選擇該方法。

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結(jié)   論

AFM 因其較高的加工精度以及較為簡單的操作步驟被越來越廣泛地應(yīng)用于微納制造當(dāng)中。本課題主要探究了利用 AFM 機械刻劃與剝離工藝相結(jié)合的方式制備尺寸可控的金屬納米線。盡管已有學(xué)者提出利用該方法制備金屬納米線，然而如何制備出尺寸可控金屬納米線尚未被探究，因此本課題具有一定的前沿性。本文主要從以下三個方面進行具體研究分析。 （1）在硅基表面旋涂 40nm 厚的 PMMA 薄膜，并利用 AFM 單晶硅針尖探針在 PMMA 表面刻劃溝槽。通過赫茲彈性理論分析，AFM 在 PMMA 表面刻劃出的納米溝槽寬度與施加載荷以及探針圓弧半徑有關(guān)。又由摩擦磨損理論可知，穩(wěn)定磨損區(qū)間內(nèi)的針尖圓弧半徑與施加載荷有關(guān)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，分別擬合出標稱彈性系數(shù)為 200N/m 以及 20~80N/m 的單晶硅探針的施加載荷與納米溝槽寬度之間的關(guān)系。進而在后續(xù)過程中，可以通過選擇合適的載荷大小，在 PMMA 薄膜上刻劃出理想尺寸的納米溝槽。

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參考文獻（略）

本文編號：37948