微纳米加工技术在纳米物理与器件研究中的应用

物质在纳米尺度下可能呈现出与体材料不同的物理特件，这正是纳米科技发展的基础之一。要想探索在纳米尺度下材料物埋性质的变化规律及可能的应用领域，离不开相应的技术手段，微纳米加工技术作为当今高技术发展的重要技术领域之一，是实现功能人工纳米结构与器件微纳米化的基础。本文根据几个不同的应用领域，介绍了微纳米加工技术在纳米物理与器件研究领域的应用。     

纳米器件

正1.概述随着1991年碳纳米管的发现,在全世界范围内掀起了研究纳米技术的热潮,而纳米器件及其加工制备水平是衡量纳米科技发展水平的重要标志。纳米器件是指利用微纳米加工技术制备得到的特征尺寸为纳米尺度(通常为1～100 nm)的具有特定功能的器件。因此,纳米器件具有两个显著特征,一是器件处于纳米尺度;二是具有特定功能。在制备纳米器件过程中需要利用微纳米加工技术,根据加工方式的不同,微纳米加工技术主要可分为"自     

微纳加工领域新著--《微纳加工及在纳米材料与器件研究中的应用》

微纳加工领域是从事物理学研究与应用开发人员,特别是从事纳米材料与器件研究的物理工作者十分关注和重视的领域。这是由于人们在对纳米材料性能的研究中发现,性能与材料的微观结构尺寸的变化关系密切。例如,随着材料尺度的减小,由于表面效应、体积效应和量子尺寸效应的影响,材料的物理性能和采用该材料制作的器件特性等都可能表现出与宏观体相材料和相关器件特性显著不同的特点。这些特点是材料性能对微观结构尺寸变化的敏感性所导致的结果。正是由于这种敏感性,使得无论在纳米材料科学问题研究还是在纳米器件发展应用中,对材料生长控制和微加工的精确程度都提出了极为苛刻的要求。所以,需要纳米、甚至原子、分子层次的微纳加工技术,以探索材料与器件的新特性。可见,基础科学的研究发展往往需要技术科学提供强有力的支持,要想探索在纳米尺度下物质的变化规律、新的性质和器件功能及可能的应用领域,同样离不开相应的技术手段。微纳加工技术作为当今高技术发展的重要领域之一,是实现功能结构与器件微纳米化的基础。借助微纳加工,人们可以按照需求来设计、制备具有优异性能的纳米材料或纳米结构及器件与装置,发展探测和分析纳米尺度下的物理、化学和生物等现象的方法和仪器,准确地表征纳米材料或纳米结构的物性,探索纳米尺度下物质运动的新规律和新现象。     

微纳尺度俄歇电子能谱新技术开发及其应用进展

随着纳米结构材料的广泛应用,新型微纳尺度表征技术成为纳米科学技术发展的重要途径。本文基于局域电子信息全面性的思想,从俄歇电子能谱的原理出发,理论推导出俄歇价电子能谱的简明表述方式,确定俄歇价电子能谱与微观电子结构信息的内在联系和物理意义,建立了俄歇电子能谱探测微区一系列宏观参量的新技术。其中应力测量技术的空间分辨率可优于20nm,为微纳尺度力学测量的发展提供了重要的方法;非接触性的局域电学性质测量技术,超越了传统电学测量方法的思想框架,实现了无外场驱动的电荷密度分布、电场分布等本征电学性质表征、以及半导体异质结构整个空间区域的能带构造;结构相的测定技术,使纳米微区材料的晶体结构相识别成为可能;半导体微区导电类型测定技术,延续了非接触性电学测量的优点,并且能够灵活地探测分析复杂光电器件结构中不同区域的导电类型分布。通过实际应用于侧向外延GaN不同区域、AlxGa1-xN/GaN超晶格量子阱结构、ZnO纳米颗粒等纳米尺度复杂体系的微区宏观性质探测,获得应力/应变、电荷密度/电场、结构相以及导电类型及其分布等结果,验证了所建立的测量技术的有效性和可靠性。     

微纳尺度俄歇电子能谱新技术开发及其应用进展

随着纳米结构材料的广泛应用,新型微纳尺度表征技术成为纳米科学技术发展的重要途径.本文基于局域电子信息全面性的思想,从俄歇电子能谱的原理出发,理论推导出俄歇价电子能谱的简明表述方式,确定俄歇价电子能谱与微观电子结构信息的内在联系和物理意义,建立了俄歇电子能谱探测微区一系列宏观参量的新技术.其中应力测最技术的空间分辨率可优于20 nm,为微纳尺度力学测量的发展提供了重要的方法;非接触性的局域电学性质测量技术,超越了传统电学测量方法的思想框架,实现了无外场驱动的电荷密度分布、电场分布等本征电学性质表征、以及半导体异质结构整个空间区域的能带构造;结构相的测定技术,使纳米微区材料的晶体结构相识别成为可能;半导体微区导电类型测定技术,建续了非接触性电学测量的优点,并且能够灵活地探测分析复杂光电器件结构中不同区域的导电类型分布.通过实际应用于侧向外延GaN不同区域、AlxGa1-xN/GaN超晶格量子阱结构、ZnO纳米颗粒等纳米尺度复杂体系的微区宏观性质探测,获得应力/应变、电荷密度/电场、结构相以及导电类型及其分布等结果,验证了所建立的测量技术的有效性和可靠性.     

飞秒激光直写偏振转换器件和几何相位器件(特邀)

光学器件的微型化和集成化是当前研究的热点,其中利用微纳结构实现局域电磁改性的超构光学更是引人关注。本文从微纳结构的制备出发,总结了利用超衍射精密加工的飞秒激光直写技术,制备偏振转换器件和几何相位器件的工作。介绍了微纳结构改性的物理机制,飞秒激光直写光刻胶、飞秒激光烧蚀金属薄膜、飞秒激光诱导纳米光栅等手段在偏振转换器件和几何相位器件制备方面的进展,展望了飞秒激光微纳加工技术在超构光学器件制备方面的挑战。     

若干新型微纳光子学器件研究

光子晶体和纳米光纤是两种重要的微纳光子学材料,各自具有非常独特的控制光子传输状态的功能,是研究微纳尺度下光与物质相互作用的重要平台,也是实现新型微纳光子学器件的重要基础.文章简要介绍了超快速低功率光子晶体全光开关、纳米光纤传感器、干涉器和介质-金属纳米线复合结构器件的研究进展.     

中国科学院物理研究所微加工实验室

为适应凝聚态物理与相关交叉学科研究的需求,探索材料在纳米尺度下新奇的物理性质及在信息、能源、生物等领域的应用,促进纳米科学与技术领域的发展,物理所微加工实验室于2002年底建成,并开始提供微纳加工技术服务。特别是2008年成为科学院"纳米材料与纳米结构加工平台",2009年加入"中科院所     

用于Raman光谱与微纳米结构同步检测的Raman-AFM系统研究

研究和发展了一种将微区拉曼(Raman)光谱检测与原子力显微镜(AFM)微纳米扫描成像相结合的新型Raman-AFM技术。设计了Raman光谱与AFM扫描成像的原位检测探头;研制出相应的Raman-AFM系统;利用该系统,对ZnO纳米颗粒和TiO2纳米薄膜开展了微区Raman光谱与微纳米结构的检测实验。研究表明,所获得的Raman光谱检测结果与理论值良好吻合,同时,AFM扫描检测得到的图像很好地表征了样品的微纳米结构,从而实现了微区Raman光谱与AFM图像的原位及同步检测,验证了这一技术的可行性,为Raman光谱技术与微纳米技术领域的实际应用提供了技术基础。     

基于PDMS的光纤端面微纳结构转移法

微纳光纤传感器将微纳加工与光纤传感技术有机结合，具有重大的科研意义和产业化潜力。现有加工方法无法达到任意复杂三维结构可制备化，从而限制了微纳光纤传感器的发展。介绍了一种新型微纳加工方法，该方法在聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜上实现微纳结构的制备，之后将薄膜连同微纳结构一同转移到光纤端面，在光纤端面实现人为定义三维立体微纳结构。通过在扫描电镜下对制备的样品进行检测，确认PDMS薄膜及其上三维结构可被无损转移至光纤端面。该方法具有易制备、低成本且可加工三维微纳结构的特点。     

Two-photon reduction: a cost-effective method for fabrication of functional metallic nanostructures

Metallic nanostructures have underpinned plasmonic-based advanced photonic devices in a broad range of research fields over the last decade including physics, engineering, material science and bioscience. The key to realizing functional plasmonic resonances that can manipulate light at the optical frequencies relies on the creation of conductive metallic structures at the nanoscale with low structural defects. Currently, most plasmonic nanostructures are fabricated either by electron beam lithography (EBL) or by focused ion beam (FIB) milling, which are expensive, complicated and time-consuming. In comparison, the direct laser writing (DLW) technique has demonstrated its high spatial resolution and cost-effectiveness in three-dimensional fabrication of micro/nanostructures. Furthermore, the recent breakthroughs in superresolution nanofabrication and parallel writing have significantly advanced the fabrication resolution and throughput of the DLW method and made it one of the promising future nanofabrication technologies with low-cost and scalability. In this review, we provide a comprehensive summary of the state-of-the-art DLW fabrication technology for nanometer scale metallic structures. The fabrication mechanisms, different material choices, fabrication capability, including resolution, conductivity and structure surface smoothness, as well as the characterization methods and achievable devices for different applications are presented. In particular, the development trends of the field and the perspectives for future opportunities and challenges are provided at the end of the review. It has been demonstrated that the quality of the metallic structures fabricated using the DLW method is excellent compared with other methods providing a new and enabling platform for functional nanophotonic device fabrication.     

表面等离子体激元纳米激光器技术及应用研究进展

传统半导体激光器由于采用光学系统反馈而存在衍射极限,其腔长至少是其发射波长的一半,因此难以实现微小化。基于表面等离子体激元的纳米激光器可以实现深亚波长乃至纳米尺度的激光发射,而且现代微纳加工技术的逐步成熟,也为亚波长乃至纳米量级激光器的研制提供了成熟的技术条件。本文重点综述了国际上已成功实验验证的基于表面等离子体激元的纳米激光器的最新研究进展,综述了表面等离子体激元的基本原理,给出了若干种表面等离子体激元纳米激光器的结构和特点,指出该类激光器现存问题主要表现在激元损耗高及由此引起的制备工艺和电泵浦涉及的技术难题。文中最后展望了纳米激光器的应用和研究前景。     

激光超衍射加工机理与研究进展

随着纳米科技和微纳电子器件的发展,制造业对微纳加工技术的要求越来越高.激光加工技术是一种绿色先进制造技术,具有巨大的发展潜力,己广泛应用于不同的制造领域.为实现低成本、高效率、大面积尤其是高精度的激光微纳加工制造,研究和发展激光超衍射加工技术具有十分重要的科学意义和应用价值.本文首先阐述了基于非线性效应的远场激光直写超衍射加工技术的原理与国内外发展状况,包括激光烧蚀加工技术、激光诱导改性加工技术和多光子光聚合加工技术等;然后介绍了几种基于倏逝波的近场激光超衍射加工技术,包括扫描近场光刻技术、表面等离子激元光刻技术等新型超衍射激光近场光刻技术的机理与研究进展;最后对激光超衍射加工中存在的问题及未来发展方向进行了讨论.     

微纳尺度光纤布拉格光栅折射率传感的理论研究

亚波长直径微纳光纤强倏逝场传输的光学特性,使其对周围介质折射率的变化具有极高的灵敏度.本文提出一种基于微纳尺度光纤布拉格光栅(MNFBG)的折射率传感器,结合微纳光纤倏逝场传输和光纤布拉格光栅(FBG)强波长选择的特性来实现高精度折射率传感,对其制备可行性进行了讨论.论文中对MNFBG折射率传感机理进行了深入的理论分析,并使用OptiGrating软件进行了数值模拟,模拟数据显示MNFBG折射率测量的灵敏度随着光纤半径的减小而增加,其中光纤半径为400 nm的MNFBG灵敏度可达到993 nm/RIU,相比于包层蚀刻的FBG灵敏度增加了170倍,说明MNFBG对发展微型化、高灵敏度折射率传感器具有良好的应用前景. 关键词： 微纳光纤 光纤布拉格光栅 折射率传感     

非周期微纳结构增强有机发光二极管光耦合输出的研究进展

有机发光二极管（OLED）具有功耗低、重量轻、色域宽、响应时间快及对比度高等优点,在全彩平板显示和固态照明等领域均显现出巨大的应用潜力,受到人们的广泛关注.然而,较低的光输出效率使得器件的外量子效率远低于内量子效率,这严重制约了OLED器件的发展和应用.因此如何提高OLED器件的光耦合输出效率已成为备受关注的研究课题.本文主要介绍了采用非周期微纳结构提高OLED器件光耦合输出效率的最新研究进展,对随机微纳透镜结构、光散射介质层、聚合物多孔散射薄膜、随机凹凸波纹结构及随机褶皱结构等多种对器件亮度分布和光谱稳定性无明显影响的光耦合输出技术进行了总结和讨论.最后,对提高OLED器件光耦合输出研究做了总结和展望.     

Ion Beam Polishing for K9 Glass

K9 glass is a common material of optics and micro system, with cheaper price and better processing function. With the development of the optical and micro system, the technique of manufacturing micron/nanometer dimensions microstructure and micro device on K9 glass has used in photoelectron, microwave and diffraction optics device et al The coarse surface of optics and microwave device can cause the light scattering and signal losing, and the function of device reduced. So the supersmooth surface plays an important role in optic and microwave device.     

Gearing up for optical microrobotics: micromanipulation and actuation of synthetic microstructures by optical forces

Optics is usually integrated into robotics as part of intelligent vision systems. At the microscale, however, optical forces can cause significant acceleration and so optical trapping and optical manipulation can enable the noncontact actuation of microcomponents. Microbeads are ubiquitous optically actuated structures, from Ashkin's pioneering experiments with polystyrene beads to contemporary functionalized beads for biophotonics. However, micro‐ and nanofabrication technologies are yielding a host of novel synthetic structures that promise alternative functionalities and new exciting applications. Recent works on the actuation of synthetic microstructures using optical trapping and optical manipulation are examined in this review. Extending the optical actuation down to the nanoscale is also presented, which can involve either direct manipulation of nanostructures or structure‐mediated approaches where the nanostructures form part of larger structures that are suitable for interfacing with diffraction‐limited optical fields.     

微尺度换热器的研究及相关问题的探讨

本文对微风度换热器产生的背景、研究现状及存在的问题进行了综述和初步分析。对在微小槽道内流体的流动和传热与常规尺度下的差异的原因和机理进行了简单分析。发现有些用气体所做的实验研究，很有可能是处于有速度滑移和温度跳跃的滑流区。速度滑移和温度跳跃致使阻力系数减小、传热减弱。对微小槽道和多孔介质对传热的强化效果进行厂比较。多孔介质对传热的强化效果更好，但同时压力损失也更大。     

Light manipulation in organic light‐emitting devices by integrating micro/nano patterns

The demonstration of high efficiency and color tunability has brought organic light‐emitting devices (OLEDs) into the lighting and display market. High efficiency is one of the key issues for their commercial applications, for which much effort has been devoted to developing novel materials and device structures. It is well known that around 80% of the generated photons are trapped in OLED structure, so that there is still the greatest scope for significant improvements in its efficiency. This has driven the research towards the integration of micro/nano patterns into device structures that benefit from their abilities in manipulating the generation and propagation of photons. Micro/nano patterns with random or periodic morphologies have demonstrated their effect on the outcoupling of the trapped photons within the device. Moreover, the emitting properties other than the light extraction could be manipulated by introducing the micro/nano patterns. This article reviews the recent progresses in improving the light extraction and manipulating the emission properties of the OLEDs through the introduction of the micro/nano patterns by various fabrication strategies. The light manipulation of the micro/nano patterns in organic photovoltaics is briefly discussed considering its similar working principle and fabrication strategies to that of the OLEDs.