纳米压印过程中的聚合物流变机理_刘瑞宏
纳米压印技术
纳米压印技术纳米加工技术—纳米压印摘要：半导体器件的特征尺寸必需急剧减小才能满足集成电路迅速发展的需要，采用纳米加工技术可制备出纳米量级的图案及器件。
纳米压印作为纳米加工技术中具有较大潜力的一种工艺，采用非光学技术手段实现纳米结构图形的转移，有望打破传统光刻技术的分辨率极限。
本文从原理入手，介绍了纳米压印技术的分类、发展及应用。
文中所述内容有助于快速理解纳米压印技术的整体概况，对进一步改善纳米压印工艺的性能有着较重要的意义。
1 引言21世纪以来，由半导体微电子技术引发的微型化革命进入了一个新的时代，即纳米技术时代[1]。
纳米技术指的是制备和应用纳米量级(100nm以下)的结构及器件。
纳米尺度的材料性质与宏观尺度的大为不同。
比如块状金的熔融温度为1063℃，而2nm-3nm的纳米金粒子的熔融温度为130℃-140℃等。
功能结构的纳米化不仅节约了能源和材料，还造就了现代知识经济的物质基础。
纳米技术依赖于纳米尺度的功能结构与器件，而实现结构纳米化的基础是先进的纳米加工技术。
在过去几十年的发展中，纳米加工技术不仅促进了集成电路的迅速发展，实现了器件的高集成度，还可以制备分子量级的传感器操纵单个分子和原子等等。
纳米加工技术是人类认识学习微观世界的工具，通过理解这一技术可以帮助我们更好认识纳米技术以及纳米技术支撑的现代高科技产业。
纳米加工技术与传统加工技术的主要区别在于利用该工艺形成的器件结构本身的尺寸在纳米量级。
可以分为两大类[1]：一类是自上而下(top-down)的加工方式，即复杂的微观结构由平面衬底表面逐层建造形成，也可以理解为在已经存在材料的基础上进行特定加工实现纳米结构和器件。
目前发展较为成熟的纳米加工技术，如光刻(平面工艺)、纳米压印(模型工艺)、探针工艺等都属于此类加工技术。
此类加工方式大多涉及到某种方式的光刻制作图形与图形转移技术，可加工的结构尺寸受限于加工工具的能力。
传统的纳米加工工艺相当成熟，可基本满足各种微观结构的研究与生产需要。
纳米压印技术PPT模板
4.3.3压印胶中的缺 陷
4纳米压印 结果分析
4.4正交法对纳米压印 工艺的优化
壹
4.4.1正交法的意义与原 理
贰
4.4.2热压印工艺中正交 法的因子和水平
叁
4.4.3正交法对工艺的优 化研究
4纳米压印结果分析
4.5石英模具室温压印 hybrane
4.5.1hy brane胶
介绍
4.5.2hy brane胶
印印章的制备
3章纳米印 制备新方法
3.6旋涂法制备pdms 印章
3.6.1旋涂法制 备pdms印章的 原理和工艺流程
3.6.2旋涂法制 备pdms印章的
具体实例
3.6.3旋涂法制 备pdms印章的
实验结果
3章纳米印制备新方法 3.7热压法大规模制备pdms印章的新方法
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7.7.2纳米压印技术加工探针
8
纳 米 压 景印 发 展 前
8纳米压印发展前景
8.1纳米压印技术面临的挑战 8.1.1纳米压印自身技术面临的挑战
8.1.2纳米压印技术面临的其他技术挑战 8.2纳米压印技术的发展前景
8.2.1纳米压印技术的创新技术 8.2.2纳米压印技术的研究方向 8.2.3纳米压印技术展望
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纳米压印技术
演讲人
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目录
01. 1绪论
02. 2纳米压印工艺概述
03. 3章纳米印制备新方法 04. 4纳米压印结果分析
05. 5纳米压印理论
06. 6纳米压印仿真
07. 7纳米压印技术的应用 08. 8纳米压印发展前景
1
绪 论
纳米压痕方法在材料研究中的应用
纳米压痕方法在材料研究中的应用纳米压痕方法在材料研究中的应用引言：纳米压痕方法是一种在纳米尺度下对材料进行力学性能测试的技术，它通过对材料施加微小的压力和观察材料在压力下的变形情况来评估材料的硬度、弹性模量和塑性行为等力学特性。
这种方法具有非常广泛的应用领域，包括材料科学、纳米技术、生物医学和电子器件等。
本文将深入探讨纳米压痕方法在材料研究中的应用，包括其原理、实验步骤和在不同材料中的应用案例。
一、纳米压痕方法的原理1. 纳米压痕机理纳米压痕方法基于材料受力导致的变形行为来评估材料的力学性能。
在纳米压痕实验中，压头采用微小的针尖或球状探头，施加在样品表面上。
通过控制压头所施加的压力和加载速率，可以获得不同范围内的材料变形情况。
在这个过程中，探测器记录样品的变形曲线，从而计算出材料的硬度、弹性模量和塑性变形等力学参数。
2. 纳米压痕仪器的原理纳米压痕仪器通常由压头、负载传感器和位移传感器等组成。
压头通过控制系统施加压力，负载传感器测量压力大小，位移传感器检测样品的变形情况。
通过将以上信息进行整合和计算，可以得到准确的力学性能参数。
二、纳米压痕方法的实验步骤1. 样品制备进行纳米压痕实验前，首先需要准备好样品。
样品可以是固态材料如金属、陶瓷或聚合物，也可以是生物组织或薄膜等其他类型的材料。
样品的平整度和表面质量对实验结果有着很大的影响，因此在制备过程中需要保证样品表面的光洁度和平整度。
2. 实验参数设置在实验前，需要根据材料的特性和分析需求设置好实验参数，包括压头的类型、压力的范围和加载速率等。
不同的材料需要不同的实验参数，这些参数的选择将直接影响到实验结果的准确性和可靠性。
3. 进行压痕实验将样品固定在纳米压痕仪器上，并在控制系统的指导下进行压痕实验。
实验过程中，通过记录和监测压头施加的压力和样品的变形情况，可以获得包括压头载荷-位移曲线、变形图像和力学性能参数等数据。
根据这些数据，可以对材料的力学性能进行准确的分析和评估。
纳米压印的模拟方法研究进展
纳米压印的模拟方法研究进展作者：万萍来源：《中国新技术新产品》2015年第11期摘要：本文分别从模型构造和模拟方法上介绍了黏弹性牛顿流体模型、分子动力学模型、质点动力学模型和气泡挤压模型等四种模拟方法。
并基于有限元分析方法借助于ANSYS Workbench软件对纳米压印过程中二维的胶体流动变形过程进行模拟分析。
胶体在进行流动变形时，采用Mooney-Rivlin模型表征胶体的机械性能，并使用非线性超弹性材料模型进行建模求解。
关键词：胶体流动；弹性牛顿流体模型；Mooney-Riviln模型；纳米压印；模拟方法中图分类号：TG58 文献标识码：A1 引言较早的纳米压印模拟是把高分子聚合物作为黏弹性牛顿流体或者非线性弹性固体。
非线性弹性固体模型是用市场上可以买到的MARC程序所编辑的Moony-Rivlin模型，依靠有限元法和矩阵平面应变原理，在玻璃化转变温度以上的时候将聚合物模拟成弹性橡胶。
黏弹性牛顿流体模型是运用商业计算流体动力学软件CFD-ACE，运用有限体积理论，在欧拉网格的基础上运用流体体积函数（VOF）理论来追踪聚合物边界的变形情况。
2 四种模拟方法2.1 黏弹性牛顿流体模型黏弹性流体模型有很多类，最为常用的是流体体积函数（VOF）模型：把函数定义为目标流体的体积与网格体积的比值，通过该函数在每个网格上的值就可以实现对运动界面的追踪。
自由边界或者可移动边界理论GOMA模型是在拉格朗日欧拉耦合（ALE）坐标系下对流体聚合物和固体压印模进行分别建模，从而使流体聚合物与固体压印模在运动过中能够相互独立，以此来实现大的边界自由变形运动。
2.2 分子动力学模型该有限元模型包括压印模、聚合物和镍基板三个部分。
该模型中，氢原子附着于每个氧原子表面，它们之间仅用一个硅原子作为连接在一起。
聚合物由64 PMMA非晶态分子组成，每个颗粒物的分子量为10016（每个聚合物的分子量为100）。
基板则有4层镍原子组成，它们在垂直方向呈FCC结构。
纳米压印的原理
纳米压印的原理
纳米压印是一种制备纳米结构的重要技术之一。
其原理是利用纳米压印机对表面进行微米或纳米级别的压印，通过控制压印力和时间来制备具有特定形状和结构的纳米材料。
纳米压印技术的基本原理是利用热塑性聚合物或硅基材料等作为模板，在其表面制备出所需的微米或纳米级别的结构，然后将待制备材料和模板一起置于高温下进行热压，使待制备材料得到复制，从而得到具有特定形状和结构的纳米材料。
纳米压印技术的优点在于可以制备出高质量、高精度的纳米结构材料，且制备过程简单、快速、易于控制。
因此，纳米压印技术在纳米电子、生物医学、纳米光学、纳米能源等领域均有广泛应用。
- 1 -。
纳米流体的流变性能研究
纳米流体的流变性能研究纳米流体是指含有纳米颗粒或纳米结构的液体，具有独特的物理性质和流变行为。
它在众多领域中得到了广泛的应用，如能源储存、生物医学、纳米加工等。
而研究纳米流体的流变性能对于理解其基本特性、优化设计和掌握相关应用技术具有重要意义。
一、纳米颗粒对流变性能的影响纳米颗粒的加入会改变液体的流变性能。
首先，纳米颗粒的表面积较大，使得纳米流体呈现出高度吸附性和活性，导致流体黏度的增加。
其次，纳米颗粒之间的相互作用会导致流体的屈服行为发生变化，如增强流体的剪切稀化或剪切增稠效应。
这种变化使得纳米流体在粘弹性行为方面表现出与传统液体不同的特性。
二、纳米流体的剪切稀化和剪切增稠效应剪切稀化是指剪切应力增大时流体粘度减小的行为，而剪切增稠则是指剪切应力增大时流体粘度增加的现象。
纳米流体独特的剪切稀化和剪切增稠效应源于纳米颗粒之间的相互作用。
当纳米颗粒之间的相互作用较强时，流体呈现剪切增稠效应，即流体在高剪切应力下表现出较高的黏度。
相反，当纳米颗粒之间的相互作用较弱时，流体表现为剪切稀化，即高剪切应力下的流体黏度下降。
三、纳米流体的热力学性质纳米流体的热力学性质对于其流动行为具有重要影响。
热力学性质的研究可以揭示纳米颗粒与溶剂之间的相互作用力和相变过程。
例如，纳米颗粒表面具有较高的曲率，导致纳米颗粒与溶剂之间存在额外的曲率张力。
此外，纳米颗粒的表面电荷和溶剂分子之间的相互作用也会对纳米流体的流变性能产生影响。
四、纳米流体的应用前景纳米流体的独特性质和流变行为使其在多个领域中具有广泛的应用前景。
在能源储存领域，纳米流体可用于提高电池的能量密度和快充性能。
在生物医学领域，纳米流体可用于载药系统，实现精准的药物输送。
在纳米加工领域，纳米流体可用于精确控制微米尺度结构的制备过程。
总结纳米流体的流变性能研究是一个多学科交叉的领域，在理论与实验研究中有着广阔的空间。
通过深入研究纳米颗粒与溶剂之间的相互作用机制，可以更好地理解纳米流体的流变性能及其应用前景。
纳米压痕压入蠕变
纳米压痕压入蠕变全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：纳米压痕压入蠕变是一个重要的纳米力学现象，在材料科学领域有着广泛的应用。
纳米压痕试验是通过纳米硬度计, 利用针尖对材料的小区域施加局部高应力荷载, 进而将压痕引入材料内部, 从而可以检测材料的硬度, 韧度等力学性能。
蠕变（Creep）是指材料在长时间受力情况下发生的形变现象，这种形变是渐进性的、非弹性的变形。
纳米压痕压入蠕变的研究，旨在探究材料在微观尺度下的力学行为，以及其受力后的蠕变性能。
下面将详细介绍纳米压痕压入蠕变的机理、影响因素及其应用。
一、机理纳米压痕试验中, 当压头施加力作用在材料表面时，材料表面形成单一塑性变形区，称为压痕。
在材料表面之下，存在着一定深度的漫反射塑性形变区，形变区的大小和深度受到材料的硬度等因素的影响。
如果在一定时间内保持一定的荷载，材料内部就会发生蠕变，即产生渐变变形，造成压痕的扩展和加深。
这种纳米压痕压入蠕变是材料内部分子结构和原子结构的塑性变形与移动过程，是材料的本质演变过程。
二、影响因素1. 温度：温度是影响材料蠕变性能的重要因素。
在高温条件下，材料内部原子的热振动增强，材料的形变速率会增加，从而导致蠕变速率增大；在低温条件下，材料的形变速率降低。
2. 应力：应力是引起材料蠕变的主要原因之一。
在高应力作用下，材料内部原子的位移会增大，材料的蠕变速率也会增快。
3. 蠕变机制：材料的蠕变机制决定了其蠕变行为。
在不同的蠕变机制下，材料的蠕变速率、蠕变塑性区域大小等性能表现都有所不同。
4. 微结构：材料的微结构与其蠕变性能密切相关。
晶体结构的完整性、晶界和位错等微观缺陷对材料的蠕变行为有明显影响。
5. 纳米硬度计的选择：纳米硬度计对压痕的形成和测量有很大影响，不同的硬度计具有不同的准确性和灵敏度，选择合适的硬度计对实验结果的准确性至关重要。
三、应用1. 新材料研究：纳米压痕压入蠕变技术为新材料的研发提供了重要手段。
纳米压印简介
1.引言由于经济原因促使半导体业朝着不断缩小特征尺寸方向发展，随之而来的技术进步导致了设备的成本以指数增长。
由于成本的增长，人们对纳米压印光刻这一低成本图形转移技术的关注越来越多。
通过避免使用昂贵的光源和投影光学系统，纳米压印光刻比传统光刻方法大大降低了成本。
纳米压印光刻技术的研究始于普林斯顿大学纳米结构实验室Stephen Y.Chou教授，将一具有纳米图案的模版以机械力（高温、高压）在涂有高分子材料的硅基板上等比例压印复制纳米图案，其加工分辨力只与模版图案的尺寸有关，而不受光学光刻的最短曝光波长的物理限制，目前NIL技术已经可以制作线宽在5nm以下的图案。
由于省去了光学光刻掩模版和使用光学成像设备的成本。
因此NIL技术具有低成本、高产出的经济优势。
此外，NIL 技术可应用的范围相当广泛，涵盖纳米电子元件、生物或化学的硅片实验室、微流道装置（微混合器、微反应器），超高存储密度磁盘、微光学元件等领域。
2.纳米压印技术的基本原理和工艺近十年间，各种创新的NIL工艺的研究陆续开展，其实验结果越来越令人满意，目前大概可以归纳出四种代表技术：热压印光刻技术、紫外硬化压印光刻技术、软压印、激光辅助直接光刻技术。
2.1 热压印（HE－NIL）热压印的工艺包含下列步骤：①首先，利用电子束直写技术（EBDW）制作一片具有纳米图案的Si或SiO2模版，并且准备一片均匀涂布热塑性高分子光刻胶（通常以PMMA为主要材料）的硅基板。
②将硅基板上的光刻胶加热到玻璃转换温度（Glass Transfer Temperature）以上，利用机械力将模版压入高温软化的光刻胶层内，并且维持高温、高压一段时间，使热塑性高分子光刻胶填充到模版的纳米结构内。
③待光刻胶冷却固化成形之后，释放压力并且将模版脱离硅基板。
④最后对硅基板进行反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching）去除残留的光刻胶，即可以复制出与模版等比例的纳米图案。
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［］ 认为 有必 要 ． Ｈ ｅ ｄ ｅ ｒ ｍ ａ ｎ 等 ２ 研 究 了 热 压 印 过 程， ｙ
光刻胶填充模板的流动路径是从模板周围开始向凹
［］ 槽中 央 填 充 ． Ｈ ｉ ｒ ａ ｉ等 ３ 使 用 Ｍ ｏ ｏ ｎ ｅ ｉ ｖ ｌ ｉ ｎ模 ｙ– Ｒ 型， 从模板的占空比 、 深宽比及胶厚等方面来考虑热 ［ ４］ 压印的填充 率 ． Ｙ ｏ ｕ ｎ ｇ 建立了黏性模型模拟热压
收稿日期 ： ２ ０ １ １ ０ ４ ２ ９ － － ， 作者简介 ： 刘瑞宏 （ 男， 湖北襄阳市人 ， 硕士生 ， 主要研究微纳加工技术和 ＭＥＭ １ ９ ８ ５ Ｓ 工艺等 ． －） ， ） ： ； ： 李海华 （ 联系人 ） 女， 副教授 ， 电话 （ Ｔ ｅ ｌ ． ０ ２ １ ３ ４ ２ ０ ６ ９ ０ ９ Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｌ ｉ ｈ ａ ｉ ｈ ｕ ａ ｔ ｕ． ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ． － ＠ｓ ｊ
术， 主要 分 为 热 压 印 技 术 （ 和紫外压印技术 ＨＥ Ｌ） （ 其中紫外纳 米 压 印 技 术 相 对 于 热 压 印 ， ＵＶ－Ｎ Ｉ Ｌ） ． 对工艺条件的要 求 低 ， 压 印 效 率 也 大 幅 提 高， 因 此， 被看作最有可能在 工 业 生 产 中 运 用 ． 要实现理想的 压印效果 ， 每一步的控制都非常关键 ． 而决定图形转 移质量的 最 关 键 因 素 是 光 刻 胶 填 充 模 板 的 流 变 行 因此研究基于聚 合 物 在 纳 米 尺 度 的 流 变 行 为 很 为，
Ｓ ｔ ｕ ｄ ｏ ｎ Ｒ ｈ ｅ ｏ ｌ ｏ ｉ ｃ ａ ｌ Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ｏ ｆ Ｐ ｏ ｌ ｍ ｅ ｒ Ｕ ｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ｙ ｇ ｙ Ｎ ａ ｎ ｏ ｉ ｍ ｒ ｉ ｎ ｔ Ｌ ｉ ｔ ｈ ｏ ｒ ａ ｈ － ｐ ｇ ｐ ｙ
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纳米压印过程中的聚合物流变机理
刘瑞宏 ， 李海华 ， 王庆康
（ 上海交通大学 薄膜与微细技术教育部重点实验室 ， ） 微米／纳米加工技术国家级重点实验室 ， 上海 ２ ０ ０ ０ ４ ０ 摘 要 ：针 对 紫外纳米压 印 工 艺 ， 采 用有 限 元 软 件 对 光 刻 胶 的 流 变 填充 过 程进行 了 模 拟 ． 根据 紫外 压 印 中光 刻 胶 黏 度 系 数 小 的 特 点 ， 建 立 了 基 于 黏 性 流 体 的 模 型， 采用流固耦合的 Ａ Ｌ Ｅ（ Ａ ｒ ｂ ｉ ｔ ｒ ａ ｒ ｙ ） ， 、 、 方 法 系统 分 析 了 模 板 的 周 期 性 占 空 比 深 宽 比 及 非周 期 结构对 光 刻 胶 填 充 效 果 Ｌ ａ ｒ ａ ｎ ｅ Ｅ ｕ ｌ ｅ ｒ ｇ ｇ 的影响． 结果 表 明 ， 相对于 非周 期 模 板 ， 周 期 结构 的 模 板 所 能 引起 的 图 形 转 移缺陷 小 ； 占空比及深宽 比 对 小 周 期 模 板比 大 周 期 模 板 的 影 响 大 ． 进行 了 纳米压 印 实 验 ， 实 验 结 果 与 仿 真 结 果 吻 合， 说明了 仿真 的 可 信 ， 可 以 作 为 模 板 结构 设 计 及表 面处 理 工 艺 的 依 据 ． 关键词 ：紫外纳米压 印 ；有 限 元 仿真 ；占 空 比 ；周 期 结构 ；任意 的 拉 格 朗日 －欧拉 中图分类号 ： ＴＮ ３ ０ ５． ７； Ｏ ３ ５ ９ 文献标志码 ：Ａ
６卷 第６期 第４ ０ １ ２年６月 ２
上 海 交 通 大 学 学 报
Ｊ ＯＵＲ ＮＡ Ｌ Ｏ Ｆ Ｓ ＨＡＮＧＨＡ Ｉ Ｊ Ｉ ＡＯ Ｔ ＯＮＧ ＵＮ Ｉ Ｖ Ｅ Ｒ Ｓ Ｉ Ｔ Ｙ
Ｖ ｏ ｌ ． ４ ６Ｎ ｏ ． ６ Ｊ ｕБайду номын сангаасｎ． ２ ０ １ ２
（ ） １ ０ ０ ６ ２ ４ ６ ７ ２ ０ １ ２ ０ ６ ０ ８ ８ １ ０ ５＋０ ８ ９ ９ 文章编号 ： － － －
图 １ 紫外压印工艺过程 Ｆ ｉ ． １ ＵＶ ｎ ａ ｎ ｏ ｉ ｍ ｒ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ － ｇ ｐ ｐ
印过程 ， 其主要从 温 度 、 压 强 和 时 间 等 方 面 来 考 虑． 虽然针对压印过程 的 计 算 机 模 拟 取 得 了 一 些 成 果 ， 但大部分研究是针 对 热 压 印 过 程 的 仿 真 ， 而在这些 关注的尺寸往往是微米级的 ， 忽略了表面张 研究中 ， 力和与模板接触角 影 响 ， 然而这些因素在纳米级图 形转移上起了主要的作用 ， 忽略其影响是不恰当的 ． 本文对紫外纳米压印的填充过程进行了有限元 仿真 ． 在模型计算中采用任意的拉格朗日 －欧拉描述 （ ， 方 法， 和Ｓ Ａ ｒ ｂ ｉ ｔ ｒ ａ ｒ Ｌ ａ ｒ ａ ｎ ｅ Ｅ ｕ ｌ ｅ ｒ Ａ Ｌ Ｅ） Ｕ Ｐ Ｇ ｙ ｇ ｇ ［ ５］ （ ） 迎风流线 Ｐ 计算法 ． 在仿真时把光 ｅ ｔ ｒ ｏ ｖ ａ ｌ ｅ ｒ ｋ ｉ －Ｇ 刻胶层当作流体来 对 待 ， 考虑了胶的表面张力和与 主要分析了周期性模 模板的接触角对填 充 的 影 响 ． 板几何尺寸 、 占空比 、 深宽比及不规则情况下光刻胶 的填充情况 ， 通过实验验证了仿真分析的正确性 ．