基于机械-化学方法的硅表面功能性跨尺度结构形成机理研究

随着电子器件越来越小型化，如何方便、可控地在单晶硅表面设计和构筑具有特定功能和特性的跨尺度微/纳复合结构一直是当今微纳制造领域中的热点和难点问题。本项目针对该问题，提出了"基于机械-化学方法的硅表面功能性跨尺度结构形成机理研究"这一前沿性课题。"机械-化学方法"将自上而下的机械刻划和自下而上的自组装工艺巧妙地结合起来，通过对刻划和组装后的表面、界面构型进行理论分析，揭示硅表面、界面原子与有机分子的反应机理；建立微加工系统并优化工艺参数，给出刻划过程诸因素对微/纳结构的表面质量和自组装效率的影响规律及其控制措施；探索利用功能性微/纳结构进一步在硅表面制备掩膜和固定单链DNA的新方法和原理。通过系统深入的研究，为显著提高硅表面功能性跨尺度结构制造技术水平提供理论基础，为构筑以分子为结构单元的纳米结构和器件提供技术支撑，对推进化学、生物电子器件等高端技术的发展具有重要理论意义和应用价值。

本项目利用机械-化学方法在单晶硅表面进行了芳香烃重氮盐薄膜的制备，实现了单晶硅的表面改性和跨尺度微纳结构制造。利用量子化学模拟计算对Si(100)表面组装两种芳香烃重氮盐分子前后键长和键角进行分析，可以很直观的掌握单个芳香烃分子在硅表面的空间分布情况。通过能量和键布居的计算表明：两种芳香烃重氮盐分子均是通过Si-C共价键组装在Si(100)表面的，组装后系统的总能量降低，系统稳定性升高，从理论上揭示了硅表面芳香烃重氮盐可控自组装的反应机理。建立了能够在溶液中进行机械-化学实验的微加工系统，通过对刀尖几何形状、刀具前角、切削刃钝圆半径和刻划力对微加工表层质量的影响进行分析，确定刀具类型和工艺参数。用不同类型的刀具加工出几种典型微结构，并对加工后的结构表面进行AFM表征和XPS、红外光谱等进行分析，证明了溶液中的芳香烃分子是以Si-C共价键连接到硅表面，从实验角度验证了芳香烃重氮盐在硅表面进行可控自组装的反应机理。对改性后的硅表面进行了后续的应用研究，通过该方法可以制备出自组装掩膜，以及共价固定单链DNA。