{首页主词},&

武漢大學重磅頂刊綜述《PMS》：納米成型的最新進展！

2021-12-03 11:12:59 作者：材料學網(wǎng) 來源：材料學網(wǎng) 分享至：

納米制造是開發(fā)各種領域挑戰(zhàn)解決方案的關鍵要求，包括、電池、燃料電池、細胞反應、抗菌、疏水、除冰、等離子體電子學、光伏，生物傳感器、催化、粘附調(diào)節(jié)、柔性電子、存儲設備、納米發(fā)生器、納米孔測序、納米力學、芯片上實驗室系統(tǒng)、表面增強拉曼光譜（SERS），醫(yī)學診斷、生物醫(yī)學和后表面。納米制造的動機之一是制造具有非常大的表面/體積比的納米器件和結(jié)構(gòu)，以增強表面上發(fā)生的化學反應。通常，納米結(jié)構(gòu)只是通過其擴大的表面積使特定應用所需的材料倍增。與一般的納米級效應非常不同，在某些情況下，當材料尺寸減小到納米級時，材料本身會改變其特性。納米尺度的另一個動機是匹配物理現(xiàn)象的長度尺度。通過將樣本大小與特定物理現(xiàn)象的特征長度標度相匹配來調(diào)整材料的光學、電學和機械性能。

納米成型通常是指一種自上而下的制造方法，通過這種方法，可成型或可成型材料使用納米級尺寸的模具成型。納米成型是多種納米制造方法的基本機制，包括基于模板的沉積、擠出、納米壓紋、軟光刻、納米壓印光刻、熱機械納米成型和納米壓印。它適用于各種材料和物質(zhì)狀態(tài)的納米制造，使其成為最通用的納米制造方法之一。它為制造各種納米材料提供解決方案，這些納米材料的應用包括催化劑、能源、設備和各種表面功能化以及光刻技術的改進。

武漢大學劉澤教授團隊這篇綜述討論了納米成型過程背后的各種物理機制，以及它們?nèi)绾闻c物質(zhì)狀態(tài)和材料類別的細節(jié)相關。然后，納米制造方法將根據(jù)其潛在機制、可制造的材料以及可擴展性、成本、精度和多功能性等技術特征進行分類。這將幫助讀者瀏覽這一高級領域的眾多、通常非常具體的方法，并為特定應用確定最合適的過程和物質(zhì)狀態(tài)。接下來是關于納米成型的一般性討論，從迄今為止的成就以及在實現(xiàn)許多潛在納米器件方面面臨的挑戰(zhàn)和研究人員設想的結(jié)構(gòu)。特別是納米成型的最新進展導致了納米制造的范式轉(zhuǎn)變，其中納米器件的設計不再受材料和納米結(jié)構(gòu)幾何形狀的限制，而是可以從非常廣泛的材料中進行選擇。相關研究成果以題“Nanofabrication through molding”發(fā)表在國際著名綜述期刊 Progress in Materials Science。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642521001158

圖1所示。納米制造中主要里程碑的時間表。1857年化學合成金納米粒子的制備通常被稱為“現(xiàn)代納米制造的誕生”。光刻技術在20世紀50年代通過精密和可擴展的集成電路制造實現(xiàn)了微電子革命（Copyright 2020, Elsevier）。20世紀60年代在氣-液-固（VLS）生長方面的突破為半導體單晶納米線的生長提供了解決方案（版權所有2004,AIP Publishing）。E/ x射線束光刻（Copyright 1976, AIP Publishing）和模板輔助電沉積（inset， Copyright 1999, AIP Publishing[49]）在20世紀70年代被用于集成電子學的制造。1993年，基于激光消融的納米顆粒合成被證明（版權2012,John Wiley and Sons）。1995年，通過使用硬模具將納米圖案直接印跡到軟聚合物中已被證實（版權所有，1996年，美國科學促進會）。蘸筆納米蝕刻術在1999年被提出，作為一種利用原子力顯微鏡尖端直接在基底上“書寫”納米圖案的方法（版權1999，美國科學促進會）。金屬/合金的直接熱機械納米模塑制備納米結(jié)構(gòu)已于2009年實現(xiàn)，用于金屬玻璃（版權所有2009，施普林格Nature）和2017-2020年用于晶體金屬和合金（版權所有2019，美國物理學會）。

圖2所示。常見納米制造技術的分類。（a）從材料類型和物質(zhì)狀態(tài)方面比較典型的納米制造技術。金屬和非金屬（如半導體、陶瓷和有序相）的納米結(jié)構(gòu)可以通過固體基TMNM、化學合成方法、氣基物理氣相沉積（PVD）和自發(fā)生長和氣相濺射的化學氣相沉積（CVD）等方法制備。納米結(jié)構(gòu)玻璃材料，如金屬玻璃廣泛地制備液基納米模壓。聚合物材料通常采用固體基光刻（如UV/E-beam/ x -射線）和液體基軟光刻（如微接觸印刷或納米印跡）。綠色背景表示的是所有的納米制造方法，其中成型構(gòu)成了潛在的機制，涵蓋了物質(zhì)和材料的所有狀態(tài)。（b）根據(jù)納米制造技術的長度尺度和縱橫比進行分類。化學合成法和掃描探針光刻法在分子水平上都有很好的分辨率，但所制備的納米結(jié)構(gòu)的縱橫比通常很低。光刻技術（UV/E-beam/X-ray）允許制備從10納米到微米的常規(guī)納米特征，但它們也局限于小的縱橫比。總的來說，TMNM、bgs的納米模壓和軟光刻在長度尺度和縱橫比方面是最通用的。

圖4所示。在成型過程中涉及的力量與成型直徑（特征長度刻度）的比例。

圖5所示。在物質(zhì)的三種狀態(tài)下，流動阻力是溫度的函數(shù)。

圖6所示。液體、晶體、氣體和稀釋溶液納米成型的微觀機制。（a）液體進入模腔的粘性流動。所需要的驅(qū)動力必須克服液體的內(nèi)摩擦力。對于有限模液摩擦系數(shù)的典型非滑移邊界條件，液態(tài)原子的速度從液模界面的一個小值（摩擦系數(shù)無窮大時為零）到模腔中心的一個最大值。（b）固體熱機械納米成型（TMNM）在高同源溫度下以擴散為傳輸機制，在低同源溫度下以位錯滑移為傳輸機制，T > 0.4 Tm。（c）氣相和液相納米成型。原子、離子或團簇由偏倚驅(qū)動，如濃度梯度、壓力梯度、電場或化學勢梯度進入模具，并形成納米結(jié)構(gòu)，其尺寸通過模具提供的限制來控制。

圖7。粘性流基納米模塑的例子。（a） Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5 BMG（版權所有2009，施普林格自然）。（b） Pd40.5Ni40.5Si4.5P14.5 BMG （Copyright 2015, Elsevier）。（c） Zr35Ti30Cu8.25Be26.75BMG（版權所有2015,IOP出版社）。（d） TiO2納米線[136]（版權所有2001,AIP出版社）。（e） PDMS（版權1996，美國科學促進協(xié)會）。（f） PMMA（版權所有2007,JohnWiley and Sons）。（g）-（i）不同長度尺度的納米成型。（g）通過在Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5表面復制原子步驟顯示金屬玻璃納米印跡的原子尺寸分辨率。（h） 13 nm直徑的Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5BMG[60]納米線陣列（版權所有2009，施普林格Nature）。（i）直徑200 nm的Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5 BMG納米線陣列。（j）——（k）層次結(jié)構(gòu)。（j）結(jié)合微米和納米長度尺度的BMG分級納米結(jié)構(gòu)（版權所有2015，美國化學學會）。（k）結(jié)合微米和納米尺度的PMMA分層納米結(jié)構(gòu)。

圖8所示。黏性力或毛細力主導的納米模壓區(qū)與模具直徑和粘度有關。

圖9所示。過冷液體納米成型所需的壓力與模具直徑的關系。

圖10所示。需要形成納米型固體的壓力。

圖11所示。粘性流基納米模塑的應用。

圖12所示。毛細管力主導的液體納米成型。

圖13所示。典型結(jié)晶金屬的變形機制圖。主要的變形機制是溫度和樣品尺寸（模具直徑）的函數(shù)。對于宏觀樣品，以擴散為基礎的變形機制，如擴散輔助的位錯運動（如位錯爬升）和晶界滑動在高溫下占主導地位（原子擴散和擴散蠕變占主導地位）。在非常小的尺度上，原子擴散主導著潛在的變形機制，即使在包括室溫在內(nèi)的低溫下也是如此（原子擴散主導區(qū)域）。這是因為個位納米金屬的相對界面面積非常大，界面擴散率比晶格（體）擴散高出幾個數(shù)量級。隨著試樣尺寸的增大，在低溫下，位錯運動（位錯形核或位錯傳播）是控制金屬TMNM的主要變形機制。這是因為由于界面/體積面積的減小和足夠大的尺寸形成位錯，原子擴散變得不那么有效。

圖14所示。可以通過熱機械納米模壓（TMNM）制造的材料和幾何形狀的例子。

圖17。在100°C （~ 0.3 Tm）下，Ag的納米成型長度與直徑的比例。實驗結(jié)果表明，L隨d的增加呈線性增加，實線由位錯主導機制擬合，如式13b所示。

圖23所示。單晶納米線。（a） TMNM入射效應示意圖。在納米腔的入口處通常會形成幾種晶體，直到所要求的生長方向建立起來。從這里開始，納米線以單晶的形式生長[62]（版權所有，2019年，美國物理學會）。（b）一個金納米棒根部的HRTEM圖像，顯示在模具入口形成了幾個晶體。（c）有序相Au2Al單晶納米線[64]（版權所有2020，美國物理學會）。（d）-（i）單晶在TMNM過程中甚至沿著復雜的模具成形。當使用層次納米模型（d）時，即使合并納米線也會像單晶（f-i）一樣以相同的方向進行。

圖26。TMNM設置。固體TMNM的典型實驗裝置

圖25。基于氣體（a-e）和溶液（f）的納米成型制備的納米結(jié)構(gòu)。（a）硅納米線陣列捏造的頂視圖模板輔助CVD[128]（2009年版權，約翰威利和兒子），（b）大寬高比CrO2而制成的納米線陣列模板輔助CVD, （c）與設計Y-brunch Ge納米線結(jié)構(gòu)，制作的模板輔助CVD（2011年版權，美國化學學會），（d）通過模板輔助電化學沉積制備Cu/Ni/Fe多層納米線陣列（Elsevier版權所有，2009），（e）通過模板輔助氣相沉積和第二種VLS生長過程制備的自由獨立InP納米線陣列（版權所有，2004，（f）納米雙晶銅納米線制備模板輔助電化學沉積。

圖26。比較他們可以制造的材料的納米制造方法和工藝的吞吐量。根據(jù)納米制備原理，將已有的納米制備方法歸納為不同的類別。根據(jù)每種制造原理的特點，這些類別表現(xiàn)出不同的制造吞吐量（水平軸）和覆蓋不同的材料類別（垂直軸）。有些技術結(jié)合了以上的原則。

圖27所示。納米成型過程中的熱應力和熱變形。（a）由于模具和可塑材料的熱膨脹系數(shù)一般不同，Da=a模具-a材料，從成型溫度冷卻到室溫，模具長度和可塑材料的變化方式不同。由于可塑材料“錨定”到納米腔中的模具中，應力正在累積。這種應力作為一種力來抵抗脫模。它可以彎曲模具/可塑材料組合，甚至可能破壞它。（b）例如，在300°C下，Ag經(jīng)TMNM進入AAO納米模具后，熱應力導致AAO模具冷卻到室溫時斷裂。

免責聲明：本網(wǎng)站所轉(zhuǎn)載的文字、圖片與視頻資料版權歸原創(chuàng)作者所有，如果涉及侵權，請第一時間聯(lián)系本網(wǎng)刪除。