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超快激光纳米连接及其在微纳器件制造中的应用

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中国激光 2021年第15期48卷 122-139页

作者：邹贵生林路禅肖宇邓钟炀贾强冯斌王文淦邢松龄任辉沈道智刘磊清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室北京100084 上海交通大学材料科学与工程学院上海市激光制造与材料改性重点实验室上海200240

纳米连接涉及纳-纳、纳-微-宏跨尺度的材料连接,其在微纳电子元器件及其系统、微纳光机电系统等互连封装制造和研发中起到越来越重要的作用。目前已研发了系列纳米连接工艺方法,但在高操控性能量输入、多材料选择、低损伤互连等方面均... 详细信息

纳米连接涉及纳-纳、纳-微-宏跨尺度的材料连接,其在微纳电子元器件及其系统、微纳光机电系统等互连封装制造和研发中起到越来越重要的作用。目前已研发了系列纳米连接工艺方法,但在高操控性能量输入、多材料选择、低损伤互连等方面均有各自的局限性。超快激光具有峰值功率密度极高、多材料适用、加工热影响区极小等显著优势,进而基于超快激光制造的纳米连接是一个重要的发展方向。以本团队及合作者的研究为主,阐述了纳米尺度材料超快激光连接的局域能量调控和异质连接界面冶金与能带修饰、基于超快激光纳米颗粒薄膜沉积的低温连接新技术,以及基于超快激光纳米连接的新型微纳器件的制造与应用。同时,指出了超快激光纳米连接所面临的挑战和发展趋势,为未来纳米连接的研究和应用提供参考。

关键词：激光制造纳米材料超快激光纳米连接脉冲激光沉积界面冶金微纳器件

第十八届中国微纳电子技术交流与学术研讨会暨2025年微纳器件技术融合创新发展论坛会议通知

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微纳电子技术 2025年第2期62卷 I0001-I0002页

微纳电子技术涉及电子、机械、物理、化学、生物、医学、材料、制造、测试等多学科领域,是一门多学科交叉渗透和综合的高新技术,是未来技术更新换代和新兴产业发展的重要基础。为进一步推动我国微纳电子技术的快速发展,为大家提供一个... 详细信息

微纳电子技术涉及电子、机械、物理、化学、生物、医学、材料、制造、测试等多学科领域,是一门多学科交叉渗透和综合的高新技术,是未来技术更新换代和新兴产业发展的重要基础。为进一步推动我国微纳电子技术的快速发展,为大家提供一个了解国内外微纳电子技术最新发展动态的交流平台,“第十八届中国微纳电子技术交流与学术研讨会暨2025年微纳器件技术融合创新发展论坛”定于2025年5月16—18日在合肥世纪金源大饭店举行。

关键词：微纳电子技术新兴产业发展微纳器件高新技术交流平台融合创新发展学术研讨会论坛

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微纳器件热传导中的基础物理问题

物理 2013年第2期42卷 100-111页

作者：张刚黄少云北京大学纳米器件物理与化学教育部重点实验室北京大学电子学系北京100871

纳米功能器件中的温度控制已经成为世界各国迫切需要解决的关键技术。在文章中,作者简单回顾了纳米器件发展的历程和现状;以碳纳米管和石墨烯为例,重点介绍了纳米尺度热传导研究中的一些基础物理问题,以及近年来该领域中一些热点研究方... 详细信息

纳米功能器件中的温度控制已经成为世界各国迫切需要解决的关键技术。在文章中,作者简单回顾了纳米器件发展的历程和现状;以碳纳米管和石墨烯为例,重点介绍了纳米尺度热传导研究中的一些基础物理问题,以及近年来该领域中一些热点研究方向和新奇物理效应。同时,还讨论了影响纳米材料热传导性质的主要物理机制。研究这些系统本身的热传导特性,不仅对于深入理解纳米尺度能量输运的基本物理原理具有重要意义,而且与微纳电子器件的未来发展密切相关,具有广阔深远的应用前景。

关键词：微纳器件热传导热导率热扩散碳纳米管石墨烯

微纳器件超声塑化成型系统设计及优化方法研究

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微纳器件超声塑化成型系统设计及优化方法研究

作者：田海港郑州大学

学位级别：硕士

微注塑成型是聚合物微纳器件制造的主要技术之一,但目前注塑成型普遍存在微流道效应、塑化不均、微纳器件成型质量较差,以及成型设备与微纳器件尺寸不匹配等问题,因此产生了超声微注塑成型新技术。目前,超声微注塑研究主要集中于实验和... 详细信息

微注塑成型是聚合物微纳器件制造的主要技术之一,但目前注塑成型普遍存在微流道效应、塑化不均、微纳器件成型质量较差,以及成型设备与微纳器件尺寸不匹配等问题,因此产生了超声微注塑成型新技术。目前,超声微注塑研究主要集中于实验和仿真,仿真研究又多基于二维超声塑化模型,以超声换能器固定振幅和频率替代换能器的实际输出,而未考虑其结构参数对输出振幅及频率的影响,以及换能器质点输出振幅的周期性变化。针对以上问题,鉴于此,本论文在设计的微纳器件超声塑化成型系统原型基础上,着重研究换能器结构参数对超声塑化过程影响机制,提出微纳器件超声塑化成型系统设计新方法与理论。具体研究内容如下:第一,研究纵振激励下聚合物颗粒熔融塑化生热机理,分析聚合物颗粒界面摩擦塑化生热机理。推导超声换能器谐振频率和输出振幅方程,建立超声换能器结构参数与聚合物颗粒界面摩擦塑化生热率关系的数学模型,利用Mathematica软件数值分析超声换能器结构参数对纵振激励下聚合物颗粒界面摩擦塑化生热率的影响规律。结果表明:放大比对聚合物颗粒界面摩擦塑化生热率影响最大,前盖板和超声工具头长度对生热率的影响次之,影响较小的是变幅杆长度、后盖板长度和压电陶瓷片厚度。第二,为验证解析法分析纵振激励下聚合物颗粒界面摩擦塑化生热率的正确性,利用LS-DYNA建立聚合物颗粒界面摩擦塑化三维生热模型,ANSYS仿真分析得到不同结构参数下超声换能器实际输出的纵振激励,将其直接加载于生热模型,仿真分析超声换能器结构参数对纵振激励下聚合物颗粒界面摩擦塑化生热的影响。结果表明:聚合物颗粒界面摩擦塑化生热温度随纵振激励作用时间的增加而非线性升高,聚合物颗粒界面摩擦塑化生热为瞬态过程。在不同超声换能器结构参数下,聚合物颗粒界面摩擦塑化生热温度随时间变化曲线差别很大,对达到聚合物颗粒粘流温度所需纵振激励作用时间影响很大。放大比对聚合物颗粒界面摩擦塑化生热率影响最大,前盖板和超声工具头长度对生热率的影响次之,影响较小的是变幅杆长度、后盖板长度和压电陶瓷片厚度。对比解析法和仿真法分析纵振激励下聚合物颗粒界面摩擦塑化生热率的结果,两者具有较好的一致性。第三,考虑超声工具头与塑化腔之间环形间隙对注射过程的影响,建立环形间隙模型,利用ANSYS CFX分析环形间隙和入口总压力对泄漏量和工具头摩擦力的影响规律。结果表明:当环形间隙在0.1～0.15mm时,入口总压力在10～20MPa时,泄漏量和摩擦力都较小,得到较佳的环形间隙值和入口总压力。第四,设计与微纳器件结构尺寸相匹配的超声塑化成型系统,利用超声换能器结构参数对生热率影响的理论和仿真分析结果,优化设计超声换能器结构参数。结果表明:优化后最大输出振幅提高12.9%,纵振激励作用时间减少24%,生热率提高33.3%。利用仿真分析得到较佳的环形间隙值,优化设计塑化腔。采用镶嵌和侧抽模块,详细设计与成型微齿轮器件相匹配的模具系统。

关键词：微纳器件超声微注塑成型超声换能器纵振激励界面摩擦塑化生热生热率

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基于SPPs的光片上网络微纳器件研究

基于SPPs的光片上网络微纳器件研究

作者：张斌桂林电子科技大学

学位级别：硕士

随着下一代多处理器系统芯片的设计趋势,片上网络需要数千种处理器件的集成,这就需要高性能器件来为高吞吐量和低延迟通信提供保障。传统的片上网络采用电信号来传输信息,电信号之间接口性能对片上网络的信息传输速率有着很强的限制,并... 详细信息

随着下一代多处理器系统芯片的设计趋势,片上网络需要数千种处理器件的集成,这就需要高性能器件来为高吞吐量和低延迟通信提供保障。传统的片上网络采用电信号来传输信息,电信号之间接口性能对片上网络的信息传输速率有着很强的限制,并可能影响网络级联后的功耗等。光片上网络（Optical Network on Chip,ONoC）具有大信道容量、高数据传输率、低能耗,与传统的电互连相比是一种很有前途的解决方案。在高度集成的光片上网络中,光子器件是光片上网络设计中不可缺少的一部分,如微环谐振器、电光调制器、滤波器、光开关等。但是它们在片上网络应用时,具有尺寸大、插入损耗大和调制速率低等问题。针对上述的问题,本文设计了两个微纳器件:光开关和电光调制器。研究将这两个基于表面等离子激元的器件集成应用到光片上网络中,以实现具有更高集成度的片上路由器中。主要研究了表面等离子激元（SPPs）的特性,通过时域有限差分算法对其进行仿真,对ITO的带电载流子层进行了电压调谐,使该层的介电常数的实部为零,从而在ITO材料与电介质界面上激发了表面等离子激元极化子模式。然后对器件结构模型的参数进行优化,以获得最佳的结构模型参数,然后对设计的光开关和电光调制器的性能参数进行分析。具体内容包括:（1）提出了一种基于表面等离子激元的光开关结构,研究了光开关的器件结构参数和机理理论分析;（2）使用直波导和90度的微环来构建定向耦合片上电光调制器,并且该器件实现了ON和OFF状态之间的高速切换。通过改进电压施加方法,研究了光片上网络电光调制器的特性;（3）将设计的两个微纳器件创新性地集成到片上光学互连网络中,并分别设计了基于表面等离子体的光学开关“蜂窝状”路由器架构和基于片上电光调制器的ORNoC系统。比较最近学者设计的器件参数,本文设计的光开关在电压2.35V和入射波长在1550nm时候,插入损耗2.1d B高于其他光开关器件,光开关功耗5.7f J低于其他光开关器件,光开关调制速率2Tbits/S大于其他光开关器件;设计的调制器在电压2.35V和入射波长在1550nm时候,调制器耦合传输距离3890nm尺寸最小,消光比15.2d B高于其他调制器器件,插入损耗1.2d B高于其他调制器,调制器功耗5.7fJ低于其他调制器器件,调制器调制速率0.75Tbits/S小于其他调制器器件。本文在光开关的基础上改进了耦合的距离,并且在调制器中将插入损耗降低了、调制速率提高了。利用设计的片上网络微纳器件,并进一步实现光器件在片上网络的集成,开展新型的光电子器件对片上路由器的探索性研究。为设计尺寸小、运算速度快、超紧凑的集成片上网络光互连系统提供技术参考。

关键词：光片上网络微纳器件表面等离子激元光互连

全透光离子液体凝胶的微纳器件应用与柔性性能研究

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全透光离子液体凝胶的微纳器件应用与柔性性能研究

作者：张欣南京邮电大学

学位级别：硕士

近十年来,随着物联网和消费电子的快速发展,人们对高性能、便携性、可穿戴性电子设备的需求推动了晶体管集成密度的升级。但由于隧道效应等问题,在后摩尔时代人们投入了巨大的精力研究器件的材料和结构,以提高场效应晶体管的性能。离子... 详细信息

近十年来,随着物联网和消费电子的快速发展,人们对高性能、便携性、可穿戴性电子设备的需求推动了晶体管集成密度的升级。但由于隧道效应等问题,在后摩尔时代人们投入了巨大的精力研究器件的材料和结构,以提高场效应晶体管的性能。离子液体是由阴、阳离子组成的高极性、低熔点的二元盐类,目前已在电化学器件、制动传感器、光学器件、催化、分离、润滑材料、电化学发光材料和药物运输等多个领域都发挥了巨大的作用。相比于传统固体电介质,离子液体作为电学器件的栅极电介质对场效应晶体管进行门控时,其调控的载流子浓度具有了两个数量级的提升。然而离子液体的液体形态限制了其应用场景,因此在离子液体中加入聚合物使其凝胶化,并保持原有特性成为了主流的解决方法。离子凝胶作为一种电解质,因其具有良好的物理稳定性、化学稳定性、柔韧、质轻、透明等特点,成为了透明显示器、可折叠屏幕、可穿戴通信设备、生物集成电路和机器人感官皮肤等领域的研究热点。本文围绕离子液体凝胶的制备、物理性能表征、微纳器件应用及其在柔性衬底上的性能稳定性进行了研究,并希望能够扩展其在高性能场效应晶体管和可穿戴电子设备中的应用方向。主要研究内容如下:(1)通过严格的原料配比,制备出了离子液体凝胶薄膜,使用台阶仪测量了薄膜的转速–厚度依赖关系,从而实现精准控制薄膜的厚度,使用光学吸收谱仪测试了薄膜的透光性,薄膜在可见光波段几乎达到100%透光。制备了基于离子胶薄膜的电容器阵列,使用半导体测试仪测试其电容–频率(C-f)特性,其电容值与离子液体原液相媲美,证明添加聚合物并未影响其电容特性。(2)在器件应用方面,通过机械剥离法制备出石墨烯,并通过拉曼测试确定其为单层。使用电子束光刻技术(EBL)和电子束蒸镀仪器(EBE)制备出石墨烯场效应晶体管,测试了低温下石墨烯的输运特性,统计了不同温度下的迁移率和载流子浓度变化,低温处石墨烯出现了弱局域化和弱反局域化的转化。将离子液体凝胶薄膜以剪切的方式覆盖到沟道区域,分别将SiO和离子液体凝胶薄膜作为栅极介电层,测量器件的转移特性曲线和输出特性曲线,通过测量表明离子液体凝胶提高了器件的开关比和跨导。(3)制作基于柔性衬底的离子液体凝胶电容器,测试不同弯曲半径下的电容衰减程度,弯曲半径最小可达到1.88mm,应变最高可达3.3%。为了探索离子胶的弯曲稳定性,测试了不同弯曲次数后的电容值,通过实验测试表明数千次的弯曲对离子胶的电容几乎没有影响,表明离子凝胶在柔性等方面拥有巨大应用前景。

关键词：离子液体石墨烯微纳器件输运测量柔性衬底

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二硫化钼微纳器件的构筑及电催化性能研究

二硫化钼微纳器件的构筑及电催化性能研究

作者：张文翠武汉理工大学

学位级别：硕士

利用风能或太阳能产生的电力进行水分解已经被作为可持续氢生产的有效策略。二硫化钼(MoS)由于边缘活性位点具有贵金属般的氢吸附吉布斯自由能而被认为是一种良好的新型催化剂材料,然而,活性位点数的限制以及半导体的特性影响了整体的... 详细信息

利用风能或太阳能产生的电力进行水分解已经被作为可持续氢生产的有效策略。二硫化钼(MoS)由于边缘活性位点具有贵金属般的氢吸附吉布斯自由能而被认为是一种良好的新型催化剂材料,然而,活性位点数的限制以及半导体的特性影响了整体的电催化活性。对于半导体催化剂而言,影响其催化性能的因素很多,如电荷传输、能带结构等,传统的提升MoS电催化性能的方法多是空位的修饰和杂质原子的掺入,这些策略最终涉及控制掺杂物质和缺陷浓度的复杂过程,阻碍了我们对各个因素的影响机制的理解。本课题主要通过局部相转变的方法成功获得了同时具有半导体相(2H)和金属相(1T)的单片MoS纳米片。同时,结合微加工工艺分别构筑了金属集流体/纳米片的接触部分为1T相或2H相的电化学微纳器件,分别研究了接触电阻、能带结构对MoS电催化析氢性能的影响机制。本工作主要的研究结果如下:(1)金属集流体/纳米片的接触部分在相转变前后电催化析氢性能具有明显提升,在10 mA cm的电流密度下,过电位从285 mV降低至230 mV。电输运性能测试结果说明半导体相与金属集流体界面处存在肖特基势垒,阻碍了电子的迁移。金属相与金属集流体为欧姆接触,电子迁移阻力较小。从而可以推断出有效的电荷注入对于激发电催化反应活性至关重要。(2)本工作进而构筑了一种可以单一的调控能带结构、接触电阻不会受到影响的平台,从而来研究能带结构和电催化析氢性能之间的关系。测试结果表明在场效应调控下电子具有更负的电化学势,材料的费米面抬升,不断向导带底靠近。在0,1,2,3 V的背栅电压下费米面分别位于5.13,4.3,3.93,3.86 eV。(3)随着背栅电压从0 V增加至3 V,2H相二硫化钼在10 mA cm的电流密度下的过电位分别为228,218,192,74 mV,而1T相没有明显的改善。实验结果发现由2 V变为3 V时,2H相二硫化钼的过电位具有显著的降低(降低了118 mV),且在3 V的背栅电压下2H相二硫化钼的性能优于1T相(187 mV)。结合能带理论,这种优异的电催化析氢性能归因于在背栅电压的调控下大量电子注入到2H相二硫化钼导带中,费米面向上抬升,使材料的能带结构与氢还原能级匹配,使电子由材料转移至电解液中的热力学阻力减小。

关键词：电催化析氢微纳器件 2H相MoS2 1T相MoS2 能带结构

二维铁磁材料Fe3GeTe2的微纳器件制备与输运测量研究

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二维铁磁材料Fe3GeTe2的微纳器件制备与输运测量研究

作者：曹志南京邮电大学

学位级别：硕士

近几年,二维铁磁性材料的发现对自旋电子器件的研究发展提供了新方向。其中,FeGe Te是一种典型的金属铁磁性二维材料,具有～220K的居里温度和强垂直磁各向异性,尽管它有着随厚度变薄居里温度变低的特性,但可以通过离子液体栅极调控将几... 详细信息

近几年,二维铁磁性材料的发现对自旋电子器件的研究发展提供了新方向。其中,FeGe Te是一种典型的金属铁磁性二维材料,具有～220K的居里温度和强垂直磁各向异性,尽管它有着随厚度变薄居里温度变低的特性,但可以通过离子液体栅极调控将几层厚度的FeGe Te居里温度提升到室温(300K)以上,这种可操控性使其具有可以像传统的金属铁磁薄膜一样应用在各类自旋电子器件上的潜力。针对FeGe Te的物理性质以及集成到自旋电子器件中的研究仍处于初步阶段,本文即围绕二维铁磁性材料FeGe Te在器件制备、光学表征以及磁电输运方面做物理性质研究,并希望能够扩展其在自旋电子器件中的应用方向。主要研究内容如下:(1)使用X射线衍射、能量色散X射线光谱对FeGe Te单晶做成分品质的测定,以保证其质量能够符合我们的实验要求。制备各种厚度的FeGe Te纳米级薄片,测试拉曼光谱,研究FeGe Te纳米级薄片的不同振动模式,发现其特征峰与厚度有依赖趋势,这种趋势或可使拉曼光谱特征峰和FeGe Te的厚度建立相关性。(2)通过制备出厚度均匀(厚度～40 nm)的FeGe Te器件,研究其磁电输运性质,通过输运测量实验确定其具有低温铁磁性且居里温度为～190K,矩形的磁滞回线,具有随着温度上升,矫顽力变小,磁环面积变小,从硬磁性转为软磁性等特性,并且它的磁阻曲线表现为常规铁磁金属的蝶形曲线。(3)通过人工筛选制备厚度不均匀的FeGe Te器件中,其反常霍尔曲线与厚度均匀的FeGe Te器件不同的是在磁化状态转变阶段出现多磁相的状态,表明在磁化状态转变阶段具有多个磁畴域,它的居里温度～180K。而在磁阻测试中在磁化状态转变阶段观察到了反对称峰的现象,分析认为这种反对称的现象主要源于FeGe Te的厚度不均匀,即不同厚度的FeGe Te磁化方向在矫顽场附近先后发生翻转,进而在不同磁化区域的交界处出现边界,流经器件的电流密度受到边界附近所出现的循环电流扰动,导致反对称磁阻现象的出现。

关键词：铁磁性二维材料 Fe3GeTe2 微纳器件输运测量反对称磁阻

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微纳器件中电沉积铜工艺的研究

冶金与材料 2017年第5期37卷 7-8页

作者：魏秀燕山东大学电气工程学院山东济南250061

研究并讨论了用于微纳电子器件的电沉积铜工艺。通过在硅片上电镀铜,分析电镀时间、电流密度、温度等参数对镀层影响,利用SEM观察形貌变化,XRD分析镀层的物质结构,四探针直流电阻测试仪测试镀层电阻率。结果表明,当电镀液选择柠檬酸盐体... 详细信息

研究并讨论了用于微纳电子器件的电沉积铜工艺。通过在硅片上电镀铜,分析电镀时间、电流密度、温度等参数对镀层影响,利用SEM观察形貌变化,XRD分析镀层的物质结构,四探针直流电阻测试仪测试镀层电阻率。结果表明,当电镀液选择柠檬酸盐体系,电流密度为1 A·dm^(-2),电镀液温度42℃,电镀时间为29.5 min时,镀铜层厚度为6 um,铜镀层结晶细小,所含杂质少,排列最致密,表面平整,导电性能良好,质量优越,适用于微纳器件,具有很好的实用价值。

关键词：电沉积铜柠檬酸盐微纳器件