低温固体表面亚稳态无定形冰膜的形成与延寿机制
批准号:
52076115
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
曹海山
依托单位:
学科分类:
工程热力学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
曹海山
中文摘要
与传统电子束光刻技术相比,冰胶电子束光刻技术(简称冰刻)更适合在非平面衬底或易损柔性材料上构建三维微纳结构。冰刻所需的非晶态无定形冰膜具有亚稳态结构,其寿命短、极易转变成表面微观结构凹凸不平的晶态冰,难以满足大面积长时间曝光的加工要求。本项目以水蒸气在低温固体表面形成亚稳态无定形冰的过程调控为核心,围绕该过程所涉及的成冰路径、成冰形态和形态转变三个层面,结合理论分析及光学显微、拉曼光谱和电子显微的实验方法,从不同时间和空间尺度深入研究影响这三个层面的关键因素,揭示亚稳态无定形冰膜的形成及其向晶态冰转变的机制,提出水蒸气在低温固体表面形成无定形冰膜的方法以及调控其亚稳态结构寿命的策略。项目的研究成果有望为发展以冰刻为代表的低温精密制造业提供理论依据和技术支撑。
英文摘要
Compared with traditional electron beam lithography, ice lithography is more suitable for constructing 3D micro- and nano-structures on non-planar substrates or flexible materials. Amorphous solid water (ASW) films, which are required by ice lithography, have metastable structures, short lifetimes and are easy to transform into crystalline ice films with rough surface microstructures. Therefore, it is difficult to meet the processing requirements of large-area and long-time exposure. This project takes the process control of the formation of metastable ASW films by depositing water vapor on cryogenic surfaces as the core. The three aspects of this process including ice-formation paths, ice forms and further transformations will be investigated using combined methods of theoretical analysis and experimental investigations by using optical microscopy, Raman spectroscopy and electron microscopy. The key factors affecting these three aspects will be studied in different time and space scales to clarify the mechanism of the formation of ASW films and their transformations to crystalline ice films. The methods of forming ASW films on cryogenic surfaces and controlling their metastable structure lifetimes will be proposed. The research results of the project are expected to provide theoretical basis and technical support for the development of cryogenic precision manufacturing industry represented by ice lithography.
冰胶电子束光刻技术(冰刻)作为突破传统电子束光刻局限的创新工艺,在工艺流程简化、原位加工及非平面衬底处理等方面展现出显著优势。然而该技术面临的核心挑战在于亚稳态无定形冰膜的精准制备与动态调控:一方面,无定形冰膜的亚稳态特性使其在加工过程中易发生晶化相变,形成表面粗糙的晶态冰,进而影响冰膜的寿命与稳定性,难以满足复杂器件长时间曝光的加工需求;另一方面,现有研究对无定形冰的形成机制及其晶化动力学过程尚缺乏系统性认知,难以根据加工器件的特性实现个性化冰膜制备。本项目围绕冰刻中无定形冰膜的制备与调控这一核心问题,通过实验、理论和分子动力学模拟相结合的方法,揭示了影响水蒸气低温表面成冰路径、成冰形态和形态转变的关键因素和规律,成功研制了适用于冰刻工艺的微型低温制冷机冷台,并推动了冰刻在微纳结构加工中的应用。项目的主要研究成果包括:1)构建了一套集光学显微与拉曼光谱相集成的实验系统,实现了水蒸气低温表面成冰过程的显微影像原位采集与成冰形态的拉曼光谱信号原位分析,为判定成冰路径和冰膜形态提供了实验支撑;2)提出了基于成核比例水蒸气低温成冰路径判断理论模型,揭示了影响水蒸气成冰路径的关键因素和规律;3)建立了通过序参数判断水蒸气低温成冰形态的分子动力学模型,从微观尺度解析了水蒸气在低温固体表面形成无定形冰的机理,并阐明了其向晶态冰转变的动力学特征;4)研制了适用于冰刻冷台的105 K微型低温制冷机,为替代传统液氮冷却提供了高效稳定的技术支撑;5)研究了无定形冰作为电子束光刻胶的加工特性,实现了29 nm线宽的高精度加工,验证了冰刻技术在高分辨率微纳制造中的应用潜力。本项目的研究成果不仅深化了对低温环境下水蒸气成冰机制的理解,也为冰刻技术的发展提供了重要的理论依据和技术支撑,进一步推动了低温精密制造技术的应用与发展。
国内基金
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