基于纳米切削的Au纳米线制备及其力电性能研究

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金属纳米线因其独特的机械和电学特性已作为核心元器件广泛应用于纳米器件和纳米电子学中,其中Au纳米线由于其生物分子功能化、高导电性和独特的光学性质而备受关注。目前成熟制备Au纳米线的方法主要有“自下而上”的化学法和“自上而下”的物理法,但是都有较明显的缺点,比如工艺复杂、实验重复率低以及实验门槛较高等。基于此,本文采用纳米切削这项微纳米加工新技术探索了Au纳米线的制备方法,并搭建了三点弯力学测试平台和两点法电学测试平台,研究了Au纳米线力学和电学性能:首先,在Au纳米线的制备工艺参数研究中,成功地制备了超长径比的Au纳米线。分析对比了真空镀膜工艺的优劣,在选择电子束蒸镀为沉积方式的基础上研究了束流对沉积速率、Au膜质量的影响,得到了粗糙度仅为0.5 nm的Au膜;对比了转印方式、固化方式对树脂包埋的影响,选定常温固化12 h为实验参数;研究了切削方向、进给量和切削速度等切削工艺参数,发现垂直切削得到的Au纳米线相比平行切削与预设值偏差较小,结构完整表面光滑。其次,基于三点弯曲法测试了Au纳米线的力学性能。确立了纳米线力学性能测试的实验方法,定向搭接纳米线,使用FIB在纳米线两端沉积Pt固定纳米线,采用AFM在纳米线中点加载法向力获得Au纳米线的力-变形曲线,计算得到纳米线的杨氏模量不受表面效应影响,平均值为75±14 GPa,和块体金杨氏模量78 GPa接近。纳米线屈服强度随纳米线宽高比、比表面积增加而增加,所有测试的纳米线屈服强度在0.62-1.27 GPa之间,都要远高于块状Au屈服强度55-200 MPa,接近于块状Au的理论屈服强度1.42 GPa。发现探针加载速度对杨氏模量影响不大,离子束辐照会降低纳米线的杨氏模量。最后,进行基于纳米切削的Au纳米线电学性能测试。建立了电学测试实验平台,采用两点法研究了纳米线尺寸、退火温度以及同样退火温度下退火时间对纳米线电阻率的影响规律。发现随着宽度和高度减小,纳米线的电阻率由3.77×10-8Ω·m增加到6.25×10-8Ω·m。同时电阻率与退火温度呈单调对应关系,随退火时间的增加呈波动变化后趋于稳定。发现随着纳米线宽度和高度的增加,纳米线电流密度随之减小,而电导率却不断增加,其电导率与电流密度呈明显的负相关关系。本论文的工作丰富了Au纳米线的制备和力电性能研究,为其在高性能微电子器件、光电子器件和力学传感器等领域的应用打下坚实的基础。
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