先進納米製造技術及應用
作者：《航空製造技術》記者穀雨
——訪長江學者特聘教授、華中科技大學機械科學與工程學院教授史鐵林
史鐵林
教授、博士生導師
長江學者特聘教授
華中科技大學機械科學與工程學院
史鐵林，教育部「微納製造與納米測量技術」創新團隊負責人、中國振動工程學會常務理事、中國振動工程學會動態信號分析專業委員會主任委員、中國振動工程學會故障診斷專業委員會副主任委員、中國微米納米技術學會理事。他先後獲多項中國青年科技獎、全國優秀博士後、湖北省五四青年獎章、中國機械工程學會傑出青年科技獎和首批「新世紀百千萬人才工程」國家級人選等榮譽稱號。他發表學術論文250餘篇，其中SCI收錄150多篇，申請國家發明專利80多項，授權50多項。
問：納米技術、信息技術和生物技術並列為21世紀的三大科技，而納米製造則是支撐它們走嚮應用的基礎。那麼，納米製造是如何定義的？其主要特徵是什麼？
史鐵林： 美國科學基金會將納米製造定義為構建適用於跨尺度集成的、可提供具有特定功能的產品和服務的納米尺度的結構、特徵、器件和系統的製造過程。納米製造已遠遠超出常規製造的理論和技術範疇，相關技術的發展將依賴於新的科學原理和理論基礎，依賴於多學科交叉融合。納米製造從牛頓力學、宏觀統計分析和工程經驗為主要特徵的傳統製造技術走向基於現代多學科綜合交叉集成的先進位造科學與技術。其主要特徵在於：（1）製造對象與過程涉及跨尺度；（2）製造過程中界面/表面效益佔主導作用；（3）製造過程中原子/分子行為及量子效應影響顯著；（4）製造裝備中微擾動影響顯著。
問：納米製造的關鍵結構從尺度上主要體現為結合微米與納米的跨尺度製造和納米範疇的納尺度製造，請介紹一下這兩種關鍵結構的特點，以及您的團隊在該領域取得的成果。
史鐵林：跨尺度集成製造是將不同尺度的結構組合、加工形成多尺度整體的過程。微納集成結構可以根據它們的結構特性分為無序分級結構、一維納米分支結構、層疊分級結構、幾何形狀可控分級結構和納米懸浮分級結構等。微納集成結構可以有不同的形狀、尺寸、層數等幾何特徵，其關鍵的一點是要實現納結構在微結構上的定點、可控集成。穩定的微納集成結構不僅能為研究納米材料的光、電等方面的性能提供方便，還可能為功能微/納米電子器件的研製打下基礎。在微納結構的集成過程中，微結構界面的各種因素都會對納米結構集成效果帶來較大影響，因此研究微環境對納結構形成的影響機理，實現微環境的精確控制，是控制納米結構定域、定向和定尺度生長的關鍵因素。對於微納集成結構而言，它繼承了微結構的宏觀特性，並且兼具納米結構的表面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應等特性，同時還呈現出單個納米基元所不具備的新性質，如由於納米基元組合引起的量子耦合效應和協同效應等。研究表明，微納跨尺度集成結構具有改進的結構功能、器件性能，在仿生、生物醫藥、微/納流體、光子和電子等眾多器件中具有巨大的應用潛力。
本團隊前期對微納複合結構的批量化製造技術展開了深入研究，實現了硅及金屬氧化物微納複合結構的大面積可控制備；提出了碳化輔助納米結構集成的微納結構集成製造新原理，以及碳微圖形化的演變規律和三維懸浮納米結構的生成機理；發現了碳微結構表面集成類石墨薄膜納米皺褶結構的新現象，揭示了納米皺褶結構的生成機理；提出了C-MEMS/NEMS製造新方法和新工藝，開發了優化的C-MEMS製造工藝以及規模化組裝CNT的微納集成製造新工藝，開發了同質/異質低維納米線結構在C-MEMS結構上的一體化生長集成可控制造工藝。
納米尺度製造指製造的結構尺寸在納米量級，目前正朝著更小尺度的量子點製造方向發展。納米製造的方法通常分為2種，一種是Top-Down（自上而下）高精度加工，另一種是Bottom-Up（自下而上）的直接構建。這2種方法的主要區別是：對於自上而下的方法，零件和晶元已經是圖案，因此不需要自組裝步驟，已經成為微電子和計算機等行業持續發展的關鍵工具，但未來面臨越來越接近其固有尺寸極限等諸多障礙和挑戰；自下而上工藝主要包括自組裝技術和各類沉積與生長技術。
本團隊針對硅基納米結構的規模化可控制造技術進行了細緻研究。通過結合納米球自組裝與金屬催化刻蝕，實現了高深寬比硅納米線的可控制備；通過納米壓印等圖形化工藝結合反應離子刻蝕，實現了大面積硅納米陣列的製備；利用基於CVD設備的氣-液-固（VLS）工藝，實現了硅納米線結構的生長；揭示了碳化輔助的納米結構生長和集成機制；針對金屬氧化物納米結構的可控制備技術也取得了一系列進展。
問：微納米結構獨特的優異性能及對微納製造基礎科學的廣泛而深入研究為納米技術的應用提供了巨大的探索空間和應用原型，請談談納米製造技術目前的應用情況。
史鐵林： 微納製造基礎科學研究是支撐納米科技走嚮應用的基礎，已成為當前的研究熱點和國際上高科技領域競爭的焦點之一，並在感測檢測、新能源開發、能量轉換和儲存及生物技術等領域取得了飛速的發展。
納米製造技術在感測檢測中具有廣泛的應用。使用納米結構製備的感測器由於具有更大的比表面積和更高的縱橫比，在靈敏度和選擇性方面更具優勢，目前已引起越來越多的關注。例如，ZnO的各類納米結構被探索應用於有毒氣體檢測，同時利用其壓電效應及光電效應製備的壓力感測、光學感測以及納米發電機等器件均表現出了良好的性能。
隨著能源危機與環境問題日益突出，納米製造技術在太陽能電池、照明、鋰電池、光催化等方面的應用研究受到高度關注。傳統單晶硅太陽能電池的轉化效率較高，且己有工業應用，但對硅的純度要求很高，導致成本過高。本團隊在印刷碳對電極鈣鈦礦太陽能電池製備方面已取得顯著進展。發光二極體（Light Emitting Diode，LED）是一種以半導體為發光材料的發光組件，被稱為綠色光源，具有節能省電、環保、壽命長、體積小、響應快、抗振動等優點。納米結構的引入，能夠有效提高LED器件的性能，降低能耗。基於納米結構的鋰離子電池和超級電容等能量儲存器件和系統近年來的高速發展，能夠有效提高儲能器件的性能。
在氣敏感測方面，本團隊以具有優異光學特性的Morpho蝴蝶為對象，揭示了Morpho磷翅微納結構特點與光學特性的關係，以及該微納結構對環境氛圍敏感的機理。試驗驗證了其優異的光學特性及對液體介質、氣體介質敏感效果。以製備具有優異特性的仿生微納結構為目標，提出採用AFM與ICP工藝相結合，用於微納尺度的結構或模板製備；提出採用ICP與電子束蒸發、濕法刻蝕相結合的分層複雜微納結構製備方法、ICP與納米線刻蝕 / 生長相結合的仿生微納結構製備方法，製備出了仿蝴蝶磷翅等微納結構，並初步驗證了該仿生結構的優異光學特性。在能量轉換方面，本團隊深入開展了基於鈣鈦礦的高性能太陽能器件研製，取得了豐碩的成果。
推薦培訓：
2018年7月13日至7月15日，麥姆斯諮詢主辦的「MEMS製造工藝培訓課程」將在無錫舉行，培訓內容包含：（1）硅基MEMS製造工藝（體微加工技術、表面微加工技術和CMOS MEMS技術）；（2）MEMS特殊薄膜工藝技術（AlN和PZT等壓電薄膜的沉積工藝）；（3）掩膜版製造工藝；（4）非硅基MEMS製造工藝（LIGA、准LIGA、精密機械加工、微注塑等），可應用於微流控晶元；（5）半導體激光器VCSEL製造工藝；（6）選修課程：MEMS設計工具Tanner軟體及應用（MEMS設計-建模與模擬方法、MEMS代工廠合作成功案例）。
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