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科學家首次合成球形單晶陶瓷納米材料

【字體: 】 發布日期:2014-04-23 10:27:26  點擊次數:520

美國福祿集團公司(Ferro)的奉向東博士和佐治亞理工學院的王中林教授等首次合成了具有規則球狀的單晶二氧化鈰納米顆粒,并成功運用于硅晶片高精度平面的碾磨。這一最新成果以長篇報道的形式刊登在6月9日出版的美國《科學》雜志上。新研究不僅在實際應用中大大提高了硅晶片拋光表面的質量,而且在理論上首次論證了形成球形單晶陶瓷納米材料的可能性。

奉向東是Ferro公司的資深研究員、新技術開發部主管和公司納米核心技術主任。王中林是佐治亞理工學院校董事講座教授和工學院杰出講座教授、北京大學工學院先進材料和納米技術系系主任、中國國家納米科學中心海外主任。他們認為該發現必將在材料、化工、電子、催化等領域產生重大而深遠的影響。 

奉向東和王中林介紹,目前,基于硅晶片的集成電路制造在現代半導體工業中占有相當大的比重。隨著電子蝕刻技術的發展,現在所能生產的單個晶體管的尺寸已經達到了50納米以下。高度密集的電路和器件要求硅晶片達到原子尺度的平整且沒有任何缺陷?;瘜W機械碾磨法(CMP)是半導體工業中廣泛采用的打磨工藝。到2005年,這一工藝所需的納米顆粒已占據了所有納米材料市場(10億美元)的60%。二氧化鈰(CeO2)納米顆粒則是化學機械碾磨法工藝的主要打磨材料之一。然而,目前所能合成出來的二氧化鈰納米顆粒均是有棱有角的不規則晶體顆粒,這些棱角限制了硅晶片打磨表面的平整度并帶來劃痕和缺陷,為進一步提高集成電路上的器件密度及電路質量帶來了困難。球狀的納米顆粒是最為理想的打磨材料,但是球狀的晶面具有較高的表面能,在工藝上很難實現。 

最近,奉向東等利用火焰噴射高溫分解法,首次合成出了直徑小于0.25納米的球形鈦摻雜Ce1-xTixO2單晶納米顆粒。這是第一個合成出的具備單晶性質的球形氧化物陶瓷納米顆粒,是工業化大規模無機合成領域的一個重大突破。在此合成工藝中,含鈰(Ce)和鈦(Ti)成分的乙醇溶液以霧狀噴入燃燒腔內,并迅速被點燃。燃燒過程可產生兩千多攝氏度的高溫,使其中金屬成分同時燃燒并生成金屬氧化物的納米粉塵。納米粉塵通過燃燒區后溫度迅速降低,從而得以完成化學反應,結晶并生長。這一過程中納米顆粒的生產速率可達到300克/小時。 

王中林及其同事通過高分辨電子顯微鏡研究發現,單晶球狀二氧化鈰納米顆粒的形成與鈦的摻雜密切相關。沒有鈦摻雜的產物呈不規則的多面體結構,而加入6%以上的鈦后的產物則呈規則的球形。在納米球的表面,附著有一層1~2納米厚的無定形非晶殼層。掃描透射顯微鏡的分析表明這一薄層為二氧化鈦(TiO2)。當僅有鈰參與反應時,單晶二氧化鈰顆粒的生長趨向以能量最低的{111}和{100}面做外表面,因此所得產物為棱角分明的多面體結構。而當引進鈦后,結晶過程中則包括了二氧化鈰和二氧化鈦兩相。在燃燒腔兩千多攝氏度的高溫下,二氧化鈦由于熔點較低(1800℃)而呈熔融狀態,包圍在固態的二氧化鈰核周圍。在二氧化鈰晶體整個生長過程中,液態的二氧化鈦外殼為使表面能達到最低而使整個晶粒一直保持規則的球形。生長過程的高溫使部分鈦進入二氧化鈰的晶格之中,形成摻雜結構(Ce1-xTixO2),實驗證明摻雜鈦的二氧化鈰納米球顆粒具有更好的研磨性質。以碾磨表面覆蓋有1000納米氧化硅的硅晶片為例,純二氧化鈰的碾磨速度為195納米/分鐘,而摻雜有12.5%鈦的二氧化鈰的碾磨速度則達到了300納米/分鐘。同時,硅晶片表面的劃痕也降低了80%。 

為了解釋球狀單晶的形成原因,奉向東和王中林提出了固—液雙相共生理論。王中林認為,這一無機合成領域的新理論將會對開發特殊形貌的功能化納米材料具有重大的促進作用。 

王中林說,球狀單晶氧化物納米顆粒的發現在理論與實際應用上具有雙重指導意義。球狀單晶的合成打破了晶體必須由能量最低面構成的常規理論。在工業應用領域,其相對高效的生產速率使得這一工藝能直接應用于大規模工業生產。與通常使用的碾磨材料相比,通過采用這種球形納米顆粒作為碾磨材料,硅片的碾磨速度增加了50%而表面缺陷下降了80%。這一發現為生產高質量的硅晶片提供了實現的可能,進而能大大推進下一代高精度高密度的集成電路以及集成納米器件制造的發展。

來源:本站   編輯:超級管理員
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