微纳制备

仪器信息网讯 2011年3月11日-12日，牛津仪器2011微纳制备工艺技术研讨会暨英国牛津仪器等离子技术公司客户会在北京西郊宾馆举行。此次研讨会以“纳米电子：生长、沉积与蚀刻”为主题，由英国牛津仪器离子技术公司主办，中科院半导体所协办，吸引了110余名来自半导体领域的用户，仪器信息网作为独家特邀媒体参加了本次研讨会。 　　研讨会现场 　　英国牛津仪器等离子技术公司全球销售总监 Mark Vosloo先生 　　牛津仪器等离子技术公司全球销售总监Mark Voslo先生首先致欢迎辞并对牛津仪器等离子技术进行了简要介绍，他说到：牛津仪器等离子技术公司是英国牛津仪器公司的子公司，是微纳制备仪器的生产商，公司提供各类刻蚀、沉积和生长系统，可以为材料的微米、纳米级工程提供工艺方法，产品广泛应用于半导体、光电子、MEMS和微流体、高质量光学涂层及其他多种微纳技术领域。本次研讨会是英国牛津仪器等离子技术公司在中国大陆举办的首场研讨会，未来我们还将联合重点研究所及大学举办更多的研讨会，促进公司与用户之间的交流。 　　会上，来自牛津仪器、中科院半导体所、中科院物理所、3M公司等企业或科研单位的专家分别做报告，内容涉及硅蚀刻、III - V族聚合物蚀刻、RIE-ICP干法蚀刻、ALD技术、ICP CVD/PECVD、纳米蚀刻等方面的技术工艺及应用过程中遇到的问题及解决方法。 　　表1 牛津仪器2011微纳制备工艺技术研讨会报告名单 报告人 单位或公司 报告题目 杨富华 中科院半导体所 微纳技术在中科院半导体所的应用 Robert Gunn 英国牛津仪器公司 硅蚀刻综述 Ligang Deng 英国牛津仪器公司 III - V族聚合物蚀刻综述 樊中朝 中科院半导体所 运用Plasmalab System 100对III - V族化合物半导体进行干法刻蚀 张俊颖 II - VI族化合物RIE-ICP干法蚀刻与PECVD的应用 方起 英国牛津仪器公司 ALD技术综述 Deirdre Olynick 美国劳伦斯伯克力国家实验室 纳米蚀刻 Robert Gunn 英国牛津仪器公司 ICP CVD/PECVD综述 王晓东 中科院半导体所 运用Optofab ® 3000光学镀膜系统进行介质涂层的制备 夏晓翔 中科院物理所 运用ICP-RIE蚀刻技术进行纳米加工 Haiping Zhou 英国Glasgow大学 常温下运用ICP-CVD加工纳米尺度器件 　　研讨会现场气氛活跃，与会人员踊跃提问。此外，本次研讨会还设有主题讨论环节，牛津仪器工作人员就用户的提问都进行了细致解答。研讨会结束后，与会人员还参观了中科院半导体所。 　　现场讨论 　　附录：牛津仪器公司 　　http://www.oichina.cn/ 　　http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100233/

许多食品(烘焙食品、乳剂、冷冻产品等)是含有多种成分的分散体系，其中乳液是最常见的。传统的乳液制备通常需要高速均质、高压均质等方法。这些常用方法制备的乳液其大小、形状和分布是不可控的，存在多分散液滴。然而，微流控技术可精确控制多相流，以形成具有所需直径的单分散液滴。它在许多行业都有潜在的应用，包括食品、制药、化妆品和生物材料等行业。但其液滴生成效率低，不能满足工业化的要求。此外，传统方法不能很好的实现多重乳液的制备，而微流控技术可以较好的实现多重乳液的生成，但实验时需用有机试剂对微流控芯片（玻璃毛细管，PDMS）进行局部表面处理。近日，华南农业大学食品学院蒋卓副教授课题组基于微立体光刻3D打印技术（深圳摩方材料科技有限公司nanoArch® P140）,利用光敏树脂材料实现微流控芯片的制备。此工作利用一种新技术制造了单乳液和双乳液的微流控生成芯片。这些芯片采用微纳微尺度3D打印技术制作，实现宏观结构和微观结构的有机结合，可以同时满足不同乳液类型的制备和生成，清洗后可多次重复使用。同时实现了五个平行通道的单乳液生成，为高通量微流控技术的改进奠定了基础。基于此，该微流控芯片成功实现了W/O/W（水/油/水）和O/W/O（油/水/油）双重乳液的制备。此外，由于制备芯片所使用的树脂材料对油和水都具有良好的润湿性，因此不需要使用有机试剂对芯片进行局部改性。该工作以“Microfluidicdroplet formation in co-flow devices fabricated by micro 3D printing”为题发表在Journal of FoodEngineering上，第一作者是华南农业大学硕士生张佳。微流控芯片的设计及3D打印制得的装置基于Co-flow原理，通过3D打印技术，制备了单乳液生成芯片（图1），五个平行流道的单乳液生成芯片以及双重乳液生成芯片（图2）。图1 单乳液生成装置图2 五个平行流道的单乳液生成装置和双重乳液生成装置微流控芯片的评价为了验证和评估该装置的可用性，我们选取不同的乳液配方进行试验。选取不同的油包水和水包油乳液，对乳液生成过程进行记录，并对收集后的乳液进行分析（图3）。收集到的油包水乳液单分散性较好，其CV为2.7%。同一装置上实现了水包油乳液的生成，所得液滴的CV仅为2.2%。图3 单乳液生成装置用于油包水（a、b）和水包油（c、d）乳液的生成及其分散性利用五个平行流道的单乳液生成装置进行试验，可以在同一装置上实现油包水和水包油两种不同类型乳液的生成（图4），所得油包水液滴的CV为2.6%，水包油液滴的CV为3.1%。本研究使用的微流控芯片制作简单，集成度高，可重复使用。但其生产效率和液滴直径仍需进一步提高，这也是我们后续研究的重点。图4 五个平行流道的单乳液生成装置用于油包水（b、c）和水包油（d、e）乳液的生成及其液滴的分散性基于上述实验结果，我们进行了双重乳液的生成。在实验中，通过改变内相、中间相和外相的速度可以调节液滴的尺寸和核壳比例。图5展示了不同流量下W/O/W双乳状液的形成过程和收集的液滴，可以看到明显的核-壳层。对于O/W/O双乳状液的形成(图6)，实验过程中可以清楚地看到乳状液的形成过程，但收集后的乳液稳定性极差，不能观察到均匀分散的双乳状液滴，尝试了多种O/W/O乳液配方，暂未得到可靠的实验结果。图5 采用双乳液生成装置在不同流速下生成和收集W/O/W双重乳液图6 采用双乳液生成装置生成O/W/O双重乳液目前，对于3D打印微流控芯片的性能评价还处于实验室阶段，所使用的乳液配方是在现有参考文献的基础上进行修改的。为了进一步促进微流体在食品工业中商业化，需要进一步开发相关的乳液配方。此外，微流体的一些问题需要解决，如高通量，稳定性，生物相容性等。参与该工作的合作者有华南农业大学食品学院的硕士生徐文华，工程学院的徐凤英教授，无限极（中国）有限公司的鲁旺旺、张晨，深圳摩方材料科技有限公司的周建林等。原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2020.110212（以上相关介绍内容由华南农业大学蒋卓副教授提供） 上述研究工作涉及的微尺度3D打印技术由深圳摩方材料科技有限公司提供，因此摩方公司就这一创新型成果对蒋卓副教授进行了更进一步的访谈，以下为部分内容：BMF：请问目前您与BMF的合作进展情况如何？蒋教授：2018年6月前后开始与BMF的合作，最开始了解摩方所做的微尺度3D打印技术之后，有通过3D技术打印微流控芯片的想法，画出设计图之后，与工程师沟通交流后，进行了装置打印，并进行了实验验证，发现其可以实现液滴的生成，且可以看到液滴的生成过程。通过设计图的不断修改以及实验验证，最终完成了单乳液生成装置，五个平行流道的单乳液生成装置，以及双乳液生成装置的设计制造。BMF：能否概括总结液滴反应器这个案例，以及BMF高精密3D打印在其中发挥的作用？蒋教授：目前进行微流控芯片的研发，大多是在PDMS上进行，基于T-连接和流动聚焦原理。本论文基于流动聚焦原理进行了微流控芯片的开发设计，具有流动阻力小的优点，前期了解到微尺度3D打印技术的发展，可以实现微米级或亚微米级通道的制造，因而进行了相关芯片设计。实验发现3D打印过程中所使用的光敏树脂具有良好的特性，能较清晰的记录液滴生成过程，且材料具有两亲性，能够在同一装置上实现两种不同类型乳液的生成。在此基础上，无需对装置进行表面改性就能实现双重乳液的生成。此外，采用3D打印，可以制备具有复杂立体结构的芯片。这些为微流控在食品、化妆品及保健品乳液的产业化应用提供了另外一种可行的选择。BMF高精密3D打印是我们这项实验的基础，正是由于BMF帮助我们把芯片设计图变成实物，才能开展后续的实验，并发现这么多有趣的实验现象，也为我们后续的研究奠定了一定的研究基础。官网：https://www.bmftec.cn/links/7

近日，2021年第四届低维材料应用与标准研讨会（简称：LDMAS2021）在北京西郊宾馆成功召开。会议吸引了低维材料与器件相关领域的400余名专家学者与企业代表出席，云端参会人数超过1万人。会议同期举办5个不同主题的分会场，仪器信息网编辑对“第1分论坛：低维材料的制备和微纳加工”进行了跟踪报道。该会场共安排了16个特邀报告和6个青年报告，相继由清华大学魏飞教授、中国科学院半导体研究所王智杰研究员、湖南大学刘松教授等人主持；内容精彩纷呈，得到与会观众的高度关注，现场座无虚席。会议现场报告题目：《超长无缺陷碳纳米管的控制制备与器件、结构材料应用》清华大学化学工程系教授魏飞碳纳米管由于其高比表面积、化学稳定性及导热、导电及力学特性，近年来发展十分迅速。报告中，魏飞教授团队利用碳纳米管几何结构拓扑保护及进化生长的概念，通过动力学选择性实现 650mm 长碳纳米管的无缺陷生长，可实现99.9999%高纯度半导体性碳纳米管的生长，这类碳纳米管的电学、热学性质可以达到理论预测的极限。同时利用这种无缺陷碳纳米管可得到宏观强度、韧性、耐疲劳性高于目前所有材料数量级的碳纳米管高强纤维束。报告最后介绍了高纯碳纳米材料在器件等方面的应用。报告题目：《拓扑光电探测》北京大学量子材料中心长聘副教授 孙栋成熟的半导体可见光和近红外光电探测器是各个领域不可或缺的关键器件，而探测更长波长的中远红外和太赫兹波段的光电探测器却存在多个难以攻克的技术瓶颈。如何实现室温下工作的高性能长波探测器困扰了光电探测领域几十年时间，一直是科研领域关注的重要研究方向之一。基于半金属的材料替代半导体材料有望解决目前低能光子探测方面的一系列问题，但是基于半金属材料的光电探测器为了避免暗电流需要在无偏置条件下工作，一直存在响应度低的关键性能缺陷，限制了其进一步的发展。孙栋教授团队借助于全新的拓扑半金属材料的特殊拓扑性质，于近期克服了一些关键的技术问题，使得基于拓扑半金属的光电探测器在室温的低能光子探测方面展现出了广阔的应用前景。报告题目：《二维半导体的范德华集成与去集成工艺》湖南大学教授 刘渊基于二维半导体材料的低功耗新型器件被认为有望延续摩尔定律存在空间，得到更小尺寸、更高密度的集成电路。然而由于超薄得体厚度，传统的硅基晶体管的高能量制备工艺电极很难应用于脆弱的二维晶格，严重限制了二维半导体器件的性能与其应有的新奇特性。报告中，刘渊教授重点阐述了其开发的范德华异质金属集成方法作为低能量的集成工艺来保证二维半导体的本征性能，这种集成工艺在与传统的硅基工艺兼容的同时，又避免了对二维材料表面的损伤，为二维材料与传统硅工艺的兼容集成提供了新的可能。另外，PVA 旋涂法可以作为一种新的基底和高分子层来补充/代替传统 PPC、PC、PMMA、PDMS 分子层，实现对二维范德华异质结更精确的控制。报告题目：《二维磁性材料的制备与性质研究》北京理工大学教授 周家东二维过渡金属硫属化合物包括硫化物，硒化物和碲化物三大类，表现为 2H，1T，3R 等多种相结构。这些二维材料包括半金属、半导体与绝缘体等，表现出多种优异的物理性质如铁磁、铁电、超导等，使其在诸多领域包括晶体管、光电传感器、高性能自旋电子学器件等领域有着潜在的应用价值。特别的，新型二维磁性材料 CrI3 和 CrSiTe3 的发现开启了二维磁性材料研究的科学前沿。但是对于二维铁磁材料如铁基，铬基等的二元和三元的单层与少层的制备仍非常困难，这极大的限制了其性质与应用的研究。报告主要聚集Fe 基硫族化合物和Cr 基硫族化合物新型二维磁性材料可控合成与性质研究，研究其结构与铁磁性能之间的关系。报告题目：《亚纳米尺度超薄纳米晶体》清华大学化学系教授 王训亚纳米尺度（Sub-1nm）材料指至少在一个维度上特征尺寸小于 1 纳米的材料。这个特征尺寸接近高分子链/DNA 单链的直径，并与无机晶体单晶胞的尺寸相当。亚纳米尺度材料理论上具有很多优异的特性及重要的研究价值，王训教授团队围绕亚纳米尺度材料开展了系统性研究工作：以良溶剂-不良溶剂体系控制晶核尺寸策略为基础，发展出亚纳米尺度材料合成方法学，以此为基础提出亚纳米尺度材料的新概念；发现一维无机纳米材料直径限制在1纳米左右时，会表现出类生物大分子及高分子的特征，其宏观组装体兼具无机与高分子材料的优异性能；实现了具有明确结构亚纳米尺寸团簇的精确组装，进一步证明团簇可以与亚纳米尺寸无机晶核共组装，从而在亚纳米尺度实现对无机材料组分及功能的调控。报告题目：《钙钛矿量子点原位制备与集成应用》北京理工大学教授 钟海政量子点具有光谱可调、溶液加工等特点，是备受关注的新一代光学材料，已经在照明显示、传感探测、太阳能电池、激光等领域展现出应用前景。近年来,钙钛矿量子点的出现，为发展量子点集成应用技术提供了机遇。针对光电集成应用需求，钟海政教授团队发明了钙钛矿量子点的原位制备技术，利用钙钛矿材料的溶液加工特性，通过引入聚合物或者有机分子配体控制结晶过程，在聚合物基质中直接制备出量子点，或者在ITO基片上控制形核和生长过程直接制备量子点薄膜，并在此基础上开展了量子点的显示和传感应用探索。报告题目：《盐辅助的过渡金属硫化物的可控制备》湖南大学教授 刘松二维层状过渡金属硫化物具有优异的电学、光学等性能，在电子学，光电子学、能源催化等多方面具有广泛的研究及应用潜力，但过渡金属硫化物材料的可控生长仍然是该领域的重要问题。报告重点介绍了盐辅助的化学气相沉积法，可控制备并调控过渡金属硫化物及异质结的生长，探索过渡金属硫化物生长的新策略。这些材料制备的可控探索为进一步的电子学及光电子学应用提供了材料基础，并将进一步推动过渡金属硫化物在不同领域的应用。报告题目：《基于二维纳米材料的聚合物电磁屏蔽复合材料研究》北京化工大学教授 张好斌随着电子技术的迅速发展，日渐严重的电磁辐射污染对人们健康和精密电子设备的正常工作造成了难以忽视的影响，因此，发展高性能聚合物电磁屏蔽纳米复合材料在电子、航空、航天等领域具有重要价值。张好斌教授团队致力于研究纳米材料制备、高分子材料加工过程中界面调控和复合体系设计等关键科学问题。报告在其团队前期聚合物/石墨烯纳米复合材料研究基础上，着重介绍了新型二维过渡金属碳/氮化物（MXene）纳米材料在电磁屏蔽应用方面的最新进展，探索充分利用其高电导率和亲水性特性的策略和方法，以期实现聚合物电磁屏蔽纳米复合材料的多功能化和高性能化设计与制备。报告题目：《低维纳米结构制备技术及其光催化应用》中国科学院半导体研究所研究员 王智杰低维纳米结构已经被广泛应用于光电子器件、光伏器件以及光催化等各个领域，并极大 的提高了相关器件的性能。报告主要介绍了几种新型纳米结构及材料制备技术，即缺陷诱导法规则纳米材料制备技术、AB孔氧化铝模板法纳米结构制备技术、以及湿法化学法纳米材料制备技术。利用这些新型纳米结构和材料，王智杰课题组以及合作者开发了一系列高性能光电化学系统，并用于光解水制氢、光催化降解污染等领域；研究了复杂污染物（比如抗生素等）光降解过程中的反应动力学过程，提出了相应的反应动力学模型。相对于常规的光电化学体系，利用复杂结构纳米材料制备的光电化学系统的性能大有提高。其他精彩报告掠影