聚焦离子束技术及其在微纳加工技术中的应用

聚焦离子束（FIB）技术是一种集形貌观测、定位制样、成份分析、薄膜淀积和无掩模刻蚀各过程于一身的新型微纳加工技术。它突破了只能对表层成像和分析的局限，可以对样品进行三维的、表面下的观察和分析，也可以对样品材料进行切割研磨和沉积特定材料，用它可以获得以前无法得到的样品信息。从而为研究人员和制造人员提供了一种对多种样品在纳米尺度进行修改、制作和分析的有效工具。     

聚焦离子束（FIB）及其应用

简单介绍了聚焦离子束（FIB）的历史和工作原理,以及将离子束和电子束合为一体的双束系统。具体讨论了双束系统上的主要功能,如离子束镜筒、气体注入系统（GIS）、超高分辨率的扫描电镜镜简及将离子束和电子束合为一体的独特优势。例举了双束系统的一系列应用,如制作纳米图形用的多种加工方法,气体注入系统在制作纳米图形中的应用,透射电镜及原子探针的样品制备,三维形貌表征,三维能谱成分表征,三维EBSD晶体位相表征和电路修补。详细介绍了这些相关应用的发展现状及特点,比较了各种应用的优缺点。文章还介绍了在中国科研领域双束系统的应用状况及中国科研工作者利用双束系统获得的重要成果。     

多尺度方法在微/纳接触行为模拟中的应用进展

多尺度方法在求解的不同区域采用不同尺度的力学模型,在精确描述材料力学行为的同时,提高了计算效率,是近年来得到较大发展和广泛应用的一种材料计算方法。介绍了跨原子和连续介质多尺度算法的过渡区设计、基本算法,以及影响算法精度的主要因素。评述了多尺度方法在微/纳粗糙表面接触行为研究中的应用,在三维多尺度算法中更好地控制温度将提高模拟精度。     

计算智能在微尺度力学研究中的应用

微尺度力学的研究常遇到力学模型分析、复杂本构方程求解和跨尺度计算等问题,而传统的数学方法很难给出所研究的微尺度力学问题的解析解。该文探讨运用计算智能方法(主要包括人工神经网络、遗传算法和模糊数学等知识)对微尺度材料的力学行为进行研究。首先,采用人工神经网络建立微尺度材料的纳米压痕硬度随压痕深度变化的力学模型,并用其预测氧化镁材料的纳米压痕硬度;其次,运用遗传算法对A533-B号钢的球形压痕的载荷-位移曲线进行反分析,进而获取其力学参数。     

FIB／SEM双束系统在微纳加工与表征中的应用

简要回顾了聚焦离子束／扫描电子显微镜双束系统在国家纳米科学中心的应用。围绕透射电镜样品制备、扫描电子显微镜与扫描离子显微镜、纳米材料的二维与三维表征等材料表征,以及离子束直接刻蚀加工如光子晶体阵列器件原型加下、材料沉积加工如用于电学性能测试的四电极制作、指定点加工如原子力显微镜针尖修饰、三维加工、电子束曝光及其与聚焦离子束联合加工等纳米结构加工两方面,以一些具体实例分类进行了介绍。针对限制其应用的一些不利因素,如加工效率低、面积小、精度不足、加工损伤等问题,一些新技术如新型离子源Plasma、He^＋／Ne^＋离子等与现有Ga^＋聚焦离子束系统配合将成为未来发展方向。     

聚焦离子束系统在微米/纳米加工技术中的应用

聚焦离子束系统是微细加工和分析的主要技术之一,是一个完美的微米/纳米技术研究平台.简述了聚焦离子束系统的组成和主要功能,着重介绍了近年来该技术在离子束刻蚀、反应离子束刻蚀、离子束辅助沉积、离子注入、微区分析、掺杂和成像以及无掩膜曝光等微米/纳米加工领域的应用,并对未来的发展前景进行了简要分析.     

亚微米聚焦离子束的漂移现象

研究了亚微米聚焦离子束（FIB）系统的漂移现象，给出了测量漂移的方法，分析引起漂移的原因及降低漂移的措施。发现了偏转电极上钝化层及污染物充电电荷所引起的漂移现象；测出了各电极电压变化所引起漂移的大小；发现了由于外壳温度不均匀引起离子枪轴线相对样品变化所引起的漂移。提出了制作透镜电极时保持轴对称、特别是限制光栏必须位于透镜光轴上的必要性。所给出的漂移数据既包含早期曾研制的单级透镜FIB系统的数据，也包含近期研制的二级透镜可变束流FIB系统的数据。     

亚微米聚焦离子束的像散检测与校正技术

介绍了二级透镜聚焦离子束系统中像散的检测技术与校正技术。详细叙述了像散检测的原理、方法以及像散校正系统的工作原理、电子线路和具体结构。     

纳米结构在微纳传感器应用中的介电泳操控研究

要将纳米结构作为功能元件应用在微纳传感器等电学系统中，首先要解决的问题是材料的定位操作问题。介电泳技术是一种很有潜力的纳米操控技术。在自行设计的几种电极的基础上，采用介电泳技术对微纳米材料进行操控，可以实现微纳米材料沿电场方向的排布并口电极间的跨接。初步测试了采用介电泳技术操控自行生长的纳米结构制作而成的湿度传感器的基本特性，结果表明介电泳技术可以很好地实现纳米材料在传感器领域中的应用。     

束流可调的二级透镜亚微米聚焦离子束枪的设计计算和调测结果

介绍了最新设计的二级透镜聚焦离子束系统，该系统具有高速消隐、束径束流电可调等特征。给出了该系统的设计计算和调测结果。在束能15keV、束流30pA时，束径达到0．1μm。     

聚焦离子束系统中微波离子枪的束光学特性研究

通过实验和数值模拟研究了聚焦离子束系统中微波离子枪的离子束光学特性，该离子枪由微波等离子体源和Orloff-Swason引出透镜组成。该透镜除了广泛用于场致发射离子枪外，在等离子体源情况下，也能获得很好的离子束光学性能。     

聚焦离子束加工单晶体金刚石刀具实验研究

作为超精密切削加工刀具的理想材料,单晶体金刚石材料的加工制造方法直接决定了刀具切削加工表面的精度和质量.由于金刚石材料具有明显的各向异性,在传统的金刚石刀具机械刃磨法中需要综合考虑制备工艺和刀具性能的协同关系,主要包括不同晶面表现出显著的物理机械性能差异、不同晶向存在显著的难磨和易磨方向等.本文针对聚焦离子束(FIB)技术加工金刚石刀具的过程中,金刚石材料性质对聚焦离子束加工质量、加工效率的影响规律等关键工艺开展了研究.研究发现,与传统的机械刃磨法相比,聚焦离子束加工是基于高能离子束的轰击溅射实现材料的去除,聚焦离子束加工中存在的级联碰撞现象显著弱化了金刚石材料各向异性的影响.     

EB-PVD工艺制备Ti/Ti-Al微层板的力学性能与增韧机制研究

为满足金属热防护系统面板材料的轻量化要求,以Ti-Al金属间化合物作为基体,以Ti作为增韧层,利用电子束物理气相沉积技术和双靶沉积方法,制备了Ti/Ti-Al微层板,并利用热压法对材料进行了致密化处理。采用纳米压痕法和常温拉伸试验对材料的力学性能进行了表征,根据断口形貌和结构特征,分析了材料的增韧机制。结果表明:添加金属韧化层使TiAl基合金的室温力学性能有所提高,微层板中的裂纹多次沿着层间界面或层中拐折,表现出良好的断裂延迟特性,其增韧机制则为韧化层的存在导致裂纹发生偏转、微桥接等使裂纹扩展阻力增加。     

深潜器用Ti80厚板电子束焊接接头组织性能研究

采用电子束焊接方法焊接深潜器用56 mm厚Ti80合金,并对焊接接头的组织结构和力学性能进行研究。结果表明,焊接接头成形良好,无缺陷;焊缝组织为马氏体α相和残余β相组成的网篮组织;熔合区界线明显,过热区十分窄;热影响区组织由初生α相、马氏体α相和β相组成;焊接接头各区域显微硬度值分布不均匀,由焊缝至母材显微硬度值逐渐下降;拉伸断裂发生在远离焊缝的母材处,接头抗拉强度为935.3 MPa,大于原始母材的911.8 MPa;焊缝冲击吸收功为36.3 J,由焊缝至母材冲击吸收功值逐渐增大,接头各区域冲击断裂方式均为韧性断裂。     

Tc4钛合金上离子束辅助沉积TiC_xN_y膜的微结构与机械性质研究

利用离子束辅助沉积技术在Tc4钛合金基体上制备了TiCxNy膜。TEM观察揭示膜呈多晶结构，具有（111），（200）和（220）择优取向，AES和XPS分析进一步证实TiCxNy膜呈含氧配置。膜的硬度和摩擦特性与N含量有关，N的含量过高，其硬度与摩擦特性均会下降。在本实验条件下，N离子束的最佳辅助剂量为3×10（17）ions／cm2。干摩擦表明膜的抗氧化性能优良，其存在能有效抑制基体在摩擦过程中形成氧化层。又因腹的硬度高，润滑住良好，显著地改善了基体的磨损特性，特别是粘着磨损特性。     

离子束溅射制备Si／Ge多层膜研究

采用离子束溅射方法在Si衬底上制备Si／Ge多层膜，通过改变生长温度、溅射速率等因素得到一系列Si／Ge多层膜样品；通过X射线衍射、Raman散射等表征方法研究薄膜结构与生长条件的关系。在小束流（10mA）、室温条件下制备出界面清晰、周期完整的Si／Ge多层膜。