《基於氧化還原功能性納米膜的電化學納米加工研究》是依託廈門大學，由時康擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於氧化還原功能性納米膜的電化學納米加工研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：時康
- 依託單位：廈門大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
為滿足未來對納米精度大面積平坦化和複雜三維納米結構的批量加工需求，本項目擬從原理創新發展電化學納米加工方法。擬採取的策略是在工具(模板)電極表面製備一層氧化還原功能性納米膜。均一的膜厚既能使膜面反映出電極表面納米結構，又易使工具和工件間形成高精度間隔；氧化還原膜獨特的電子傳導方式，既能防止通過膜層間接接入電化學系統的工件發生電化學陽極氧化，又能使膜上所有功能基團被電化學氧化還原；電化學氧化後的基團僅能化學氧化與之接觸的工件表面，實現高精度約束刻蝕，以納米精度將電極表面結構加工複製在工件表面。本項目擬通過對大面積氧化還原納米膜的精確製備、固-固表面納米間隙的精密控制，以及間隙內氧化還原納米膜的物理化學行為等關鍵理論問題開展系統研究，闡明約束刻蝕加工的物理化學反應過程和高精度高質量表面的形成機理，弄清影響納米加工效率、表面質量的關鍵因素，建立可控的加工方法，為高精度納米加工提供先進理論與技術。
結題摘要
本課題從原理創新發展了一種電化學與化學相結合距離敏感的刻蝕方法，能夠實現大面積的納米加工，並可避免現有納米加工技術的局限和缺陷。方法要點是在模板電極表面電化學產生的刻蝕劑擴散至工件表面並化學刻蝕之；實現距離敏感的前提是刻蝕劑擴散是整個加工過程的決速步。採用氧化還原水合凝膠膜作為刻蝕劑/前驅體是簡單可行的方案，因電子以跳遷方式在錨定於膜內的氧化還原基團間慢速傳導；僅靠模板電極自重和軟質水合膜就可在模板電極和工件表面間形成高平行度的微/納間隙。 通過機械研磨和旋塗熱解光刻膠制出了多尺度(Φ6-50.8 mm)的表面均為三維曲面納米結構的碳模板電極。採用電化學聚合和旋塗成膜，在模板電極表面形成厚度可控的([Ru(bpy)2(vpy)2]2+)n和([Ru(bpy)2(PVP)5Cl]+)n兩種水合凝膠薄膜；其在0.2 M H2SO4工作溶液中的電子擴散係數(D)在10E-10 cm/s 量級比自由擴散小四個量級。實驗結果證明：採用兩種膜在高電位(+1.0 - +1.4 V vs. SCE)下加工銅工件，極限刻蝕電流密度(Ilim)均與膜厚(A)成反比關係，符合Ilim = nFDC/A；刻蝕能以約1.2 nm/min的速度和4 nm的精度在銅工件表面加工出與模板電極表面三維曲面完全互補的結構。高質表面的形成機理是工件表面各點的刻蝕速度與各點到模板電極表面的最短距離成反比，將使各點的最短距離最終達等同。由於提高刻蝕電位不會增加電極邊緣區域Ilim，增加的槽壓將消除膜的側向電阻引起的電極中心區域的電場禁止現象，因此有效加工面積可達Φ 50.8 mm。刻蝕產物是影響表面質量的關鍵因素，原因是形成的Cu2+ ·5H2O被電遷移至膜外消耗膜內水，並且Cu2+也可刻蝕銅工件生成Cu+，形成與氧化還原膜並行作用的刻蝕體系。採用持續的恆電位刻蝕方法將因缺水而使刻面粗糙且無法進行，只有採用循環電位刻蝕方法利用膜氧化還原時SO42電遷移帶水入膜，或採用微流控方法供給膜內水方可使大面積的刻蝕加工持續。在工件和模板電極間隙被完全填滿氧化還原水凝膠膜後，此方法可以進行大面積(Φ50.8 mm)平面、曲面和三維淺浮雕的納米加工；對刻蝕產物不與工件發生反應的體系可加工高深寬比的三維納米結構。
