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物理所基于聚焦离子束技术构建三维纳米结构研究获进展

发布时间:2019-10-12 17:31:21

作为信息社会进步基础的微电子器件与电路的发展历程突出表现为小型化、高密度和多功能化的趋势。当平面器件的发展遇到技术与理论上的瓶颈时,三维立体器件与电路成为必然的发展方向。三维器件与电路不仅体积小、集成度高,更重要的是三维结构的引入使之具有更优越的性能、更新颖的效应,以及更广泛的功能。因此,探索三维功能纳米结构的成型机理与机制,实现三维功能纳米结构与器件的可控加工,一直备受关注。

多年以来,中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)微加工实验室系统地开展了基于聚焦离子束技术的三维纳米结构与器件的可控加工技术研究,并取得一系列的进展。2010年,他们与英国伦敦纳米研究中心合作,采用聚焦离子束诱导的化学气相沉积方法,定点加工最小的超导钨三维探测线圈,首次制备了3D-SQUID,突破平面SQUID只能测量与之垂直的磁场的局限,为多方位磁信号测量器件的加工提供了新方法【Appl.Phys.Lett.97,222506(2010)】。为了进一步缩小所加工的三维结构的面积与特征尺寸,2011年,他们采用离子束辐照的方法,探索纳米线弯曲形变的规律、机制与可控性,构筑了导电以及超导的自支撑纳米间隙、纳米接触以及纳米多枝结构;证实了这些结构可具有高达5.2K的超导临界转变温度以及较好的机械性能与热稳定性【Appl.Phys.Lett.100,143106(2012);Appl.Phys.Lett.102,213112(2013)】。然而,怎样高效的获得更大面积的三维纳米功能结构,还是亟待解决的问题。

与块材或微米尺度的材料相比,一维纳米材料体系在热处理过程中,物质扩散、颗粒生长以及再结晶过程的差异能更显著的以形变的方式体现。因此,热处理有望成为一维纳米结构生长后三维形变调控研究的潜在手段。但怎样在纳米尺度上可控的引入组分、结构以及应力分布的变化,还具有很大的挑战性。最近,物理所微加工实验室的李无瑕副主任工程师和顾长志研究员及博士生崔阿娟等与物理所先进材料与结构分析实验室的姚湲副研究员以及英国Salford大学的沈铁汉教授等合作,在前期工作的基础上,通过利用单一金属有机物气体注入系统,在有机气态分子源受限的模式下,实现了自支撑铂混合物纳米线沿径向的组分与微结构的非均匀、非对称生长。纳米线形变前后化学组分与高分辨显微分析证实,与金属有机物气体注入系统的位置相对应,铂混合物纳米线两侧具有化学组分、微结构的非均匀性,并导致了纳米线两侧产生不同程度的形变量。通过形变规律的探索与量化处理,进一步掌握形变的可控手段,获得硅锥顶部的自支撑纳米点接触以及将ZnO双层纳米浴盆进行固定的微笼结构。显示了该技术在三维纳米电学、光学、磁学以及生物分子学等领域的应用前景。

该结果发表在8月13日出版的ScientificReports上。

以上工作得到了中国科学院、国家自然科学基金委员会和科技部相关项目的资助。

图1:纳米线生长示意图及其形变现象

图2:形变与长度的关系及微观形变模型

图3:纳米线热处理形变在微纳功能材料上形成自支撑点接触

图4:纳米线热处理形变构筑微笼结构,对ZnO双层纳米浴盆进行固定

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