先進納米制造技術(shù)及應(yīng)用
——訪長江學(xué)者特聘教授、華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院教授史鐵林

本刊記者 谷 雨

納米技術(shù)、信息技術(shù)和生物技術(shù)并列為21世紀(jì)的三大科技，而納米制造則是支撐它們走向應(yīng)用的基礎(chǔ)。那么，納米制造是如何定義的？其主要特征是什么？

史鐵林：美國科學(xué)基金會將納米制造定義為構(gòu)建適用于跨尺度集成的、可提供具有特定功能的產(chǎn)品和服務(wù)的納米尺度的結(jié)構(gòu)、特征、器件和系統(tǒng)的制造過程。納米制造已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常規(guī)制造的理論和技術(shù)范疇，相關(guān)技術(shù)的發(fā)展將依賴于新的科學(xué)原理和理論基礎(chǔ)，依賴于多學(xué)科交叉融合。納米制造從牛頓力學(xué)、宏觀統(tǒng)計分析和工程經(jīng)驗為主要特征的傳統(tǒng)制造技術(shù)走向基于現(xiàn)代多學(xué)科綜合交叉集成的先進制造科學(xué)與技術(shù)。其主要特征在于：（1）制造對象與過程涉及跨尺度；（2）制造過程中界面/表面效益占主導(dǎo)作用；（3）制造過程中原子/分子行為及量子效應(yīng)影響顯著；（4）制造裝備中微擾動影響顯著。

納米制造的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)從尺度上主要體現(xiàn)為結(jié)合微米與納米的跨尺度制造和納米范疇的納尺度制造，請介紹一下這兩種關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的特點，以及您的團隊在該領(lǐng)域取得的成果。

史鐵林：跨尺度集成制造是將不同尺度的結(jié)構(gòu)組合、加工形成多尺度整體的過程。微納集成結(jié)構(gòu)可以根據(jù)它們的結(jié)構(gòu)特性分為無序分級結(jié)構(gòu)、一維納米分支結(jié)構(gòu)、層疊分級結(jié)構(gòu)、幾何形狀可控分級結(jié)構(gòu)和納米懸浮分級結(jié)構(gòu)等。微納集成結(jié)構(gòu)可以有不同的形狀、尺寸、層數(shù)等幾何特征，其關(guān)鍵的一點是要實現(xiàn)納結(jié)構(gòu)在微結(jié)構(gòu)上的定點、可控集成。穩(wěn)定的微納集成結(jié)構(gòu)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/納米電子器件的研制打下基礎(chǔ)。在微納結(jié)構(gòu)的集成過程中，微結(jié)構(gòu)界面的各種因素都會對納米結(jié)構(gòu)集成效果帶來較大影響，因此研究微環(huán)境對納結(jié)構(gòu)形成的影響機理，實現(xiàn)微環(huán)境的精確控制，是控制納米結(jié)構(gòu)定域、定向和定尺度生長的關(guān)鍵因素。對于微納集成結(jié)構(gòu)而言，它繼承了微結(jié)構(gòu)的宏觀特性，并且兼具納米結(jié)構(gòu)的表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等特性，同時還呈現(xiàn)出單個納米基元所不具備的新性質(zhì)，如由于納米基元組合引起的量子耦合效應(yīng)和協(xié)同效應(yīng)等。研究表明，微納跨尺度集成結(jié)構(gòu)具有改進的結(jié)構(gòu)功能、器件性能，在仿生、生物醫(yī)藥、微/納流體、光子和電子等眾多器件中具有巨大的應(yīng)用潛力。

本團隊前期對微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的批量化制造技術(shù)展開了深入研究，實現(xiàn)了硅及金屬氧化物微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的大面積可控制備；提出了碳化輔助納米結(jié)構(gòu)集成的微納結(jié)構(gòu)集成制造新原理，以及碳微圖形化的演變規(guī)律和三維懸浮納米結(jié)構(gòu)的生成機理；發(fā)現(xiàn)了碳微結(jié)構(gòu)表面集成類石墨薄膜納米皺褶結(jié)構(gòu)的新現(xiàn)象，揭示了納米皺褶結(jié)構(gòu)的生成機理；提出了C-MEMS/NEMS制造新方法和新工藝，開發(fā)了優(yōu)化的C-MEMS制造工藝以及規(guī)模化組裝CNT的微納集成制造新工藝，開發(fā)了同質(zhì)/異質(zhì)低維納米線結(jié)構(gòu)在C-MEMS結(jié)構(gòu)上的一體化生長集成可控制造工藝。

納米尺度制造指制造的結(jié)構(gòu)尺寸在納米量級，目前正朝著更小尺度的量子點制造方向發(fā)展。納米制造的方法通常分為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(gòu)建。這2種方法的主要區(qū)別是：對于自上而下的方法，零件和芯片已經(jīng)是圖案，因此不需要自組裝步驟，已經(jīng)成為微電子和計算機等行業(yè)持續(xù)發(fā)展的關(guān)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(zhàn)；自下而上工藝主要包括自組裝技術(shù)和各類沉積與生長技術(shù)。

本團隊針對硅基納米結(jié)構(gòu)的規(guī)?；煽刂圃旒夹g(shù)進行了細(xì)致研究。通過結(jié)合納米球自組裝與金屬催化刻蝕，實現(xiàn)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(jié)合反應(yīng)離子刻蝕，實現(xiàn)了大面積硅納米陣列的制備；利用基于CVD設(shè)備的氣-液-固（VLS）工藝，實現(xiàn)了硅納米線結(jié)構(gòu)的生長；揭示了碳化輔助的納米結(jié)構(gòu)生長和集成機制；針對金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)的可控制備技術(shù)也取得了一系列進展。

史鐵林：微納制造基礎(chǔ)科學(xué)研究是支撐納米科技走向應(yīng)用的基礎(chǔ)，已成為當(dāng)前的研究熱點和國際上高科技領(lǐng)域競爭的焦點之一，并在傳感檢測、新能源開發(fā)、能量轉(zhuǎn)換和儲存及生物技術(shù)等領(lǐng)域取得了飛速的發(fā)展。

納米制造技術(shù)在傳感檢測中具有廣泛的應(yīng)用。使用納米結(jié)構(gòu)制備的傳感器由于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(yōu)勢，目前已引起越來越多的關(guān)注。例如，ZnO的各類納米結(jié)構(gòu)被探索應(yīng)用于有毒氣體檢測，同時利用其壓電效應(yīng)及光電效應(yīng)制備的壓力傳感、光學(xué)傳感以及納米發(fā)電機等器件均表現(xiàn)出了良好的性能。

隨著能源危機與環(huán)境問題日益突出，納米制造技術(shù)在太陽能電池、照明、鋰電池、光催化等方面的應(yīng)用研究受到高度關(guān)注。傳統(tǒng)單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率較高，且己有工業(yè)應(yīng)用，但對硅的純度要求很高，導(dǎo)致成本過高。本團隊在印刷碳對電極鈣鈦礦太陽能電池制備方面已取得顯著進展。發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）是一種以半導(dǎo)體為發(fā)光材料的發(fā)光組件，被稱為綠色光源，具有節(jié)能省電、環(huán)保、壽命長、體積小、響應(yīng)快、抗振動等優(yōu)點。納米結(jié)構(gòu)的引入，能夠有效提高LED器件的性能，降低能耗。基于納米結(jié)構(gòu)的鋰離子電池和超級電容等能量儲存器件和系統(tǒng)近年來的高速發(fā)展，能夠有效提高儲能器件的性能。

在氣敏傳感方面，本團隊以具有優(yōu)異光學(xué)特性的Morpho蝴蝶為對象，揭示了Morpho磷翅微納結(jié)構(gòu)特點與光學(xué)特性的關(guān)系，以及該微納結(jié)構(gòu)對環(huán)境氛圍敏感的機理。試驗驗證了其優(yōu)異的光學(xué)特性及對液體介質(zhì)、氣體介質(zhì)敏感效果。以制備具有優(yōu)異特性的仿生微納結(jié)構(gòu)為目標(biāo)，提出采用AFM與ICP工藝相結(jié)合，用于微納尺度的結(jié)構(gòu)或模板制備；提出采用ICP與電子束蒸發(fā)、濕法刻蝕相結(jié)合的分層復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)制備方法、ICP與納米線刻蝕/生長相結(jié)合的仿生微納結(jié)構(gòu)制備方法，制備出了仿蝴蝶磷翅等微納結(jié)構(gòu)，并初步驗證了該仿生結(jié)構(gòu)的優(yōu)異光學(xué)特性。在能量轉(zhuǎn)換方面，本團隊深入開展了基于鈣鈦礦的高性能太陽能器件研制，取得了豐碩的成果。