【摘 要】
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纳米器件具有灵敏度高、选择性强、功耗低等特点,在电子信息、生物医疗、环境能源等领域具有广阔应用前景。纳米尺度结构是纳米器件的基础,是实现纳米器件高性能的关键。目前,纳米尺度结构的制造过程普遍需要借助昂贵的聚焦离子束、电子束曝光、纳米压印等设备和多层套刻、结构转移等复杂工艺步骤,其工艺流程复杂、效率低、成本高,阻碍了纳米器件的广泛应用。本文基于电流体动力理论和多物理场复合作用,研究了电场-流体复合约
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“基于电场-流体复合约束的同轴聚焦电射流纳米打印研究”（51475081）;；大连市科技计划项目“电射流微纳3D打印关键技术研发”（2015A11GX002）；
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纳米器件具有灵敏度高、选择性强、功耗低等特点,在电子信息、生物医疗、环境能源等领域具有广阔应用前景。纳米尺度结构是纳米器件的基础,是实现纳米器件高性能的关键。目前,纳米尺度结构的制造过程普遍需要借助昂贵的聚焦离子束、电子束曝光、纳米压印等设备和多层套刻、结构转移等复杂工艺步骤,其工艺流程复杂、效率低、成本高,阻碍了纳米器件的广泛应用。本文基于电流体动力理论和多物理场复合作用,研究了电场-流体复合约束的同轴电流体射流机理,提出了同轴聚焦电流体喷射纳米打印方法,针对典型压电功能材料,实现了纳米尺度线形结构的高性能和高效率打印制造。研究内容主要包括如下五部分:（1）研究了同轴电流体射流的聚焦作用机理,建立了同轴电流体锥-射流模式形成过程的数值仿真模型,探明了纳米尺度射流的形成机制。通过分析电流体射流四阶对称方程,建立了同轴电流体射流直径标度率关系式,探究了同轴聚焦约束机制。基于三相流多物理场复合,建立了电场力叠加流体动量的数学方程,仿真分析了电场作用下溶液中电荷的产生和运动行为,探明了同轴锥-射流模式形成及演变规律,揭示了关键工艺参数对同轴射流的作用机理,获得了稳定同轴电流体射流形成的最佳参数范围。（2）研发了同轴聚焦电流体喷射打印设备,研制了同轴电流体喷射打印喷头和关键辅助装置。基于同轴电流体喷射打印喷头的仿真研究,获得了同轴喷头形状和位置参量,设计制造了内外喷针位置可调的同轴聚焦电流体喷射打印喷头装置,满足了同轴电流体喷射打印要求。研制了液体电极与温度可调衬底夹具关键辅助装置,提高了同轴电流体射流的稳定性,提高了打印制造微纳结构形状和尺寸的控制性,研发了同轴聚焦电流体喷射打印设备控制系统,实现了设备各功能模块的协同控制。（3）研究了同轴聚焦电流体喷射打印工艺,探明了关键工艺参数对射流和打印结构的影响规律。采用AZ703为内层液体,硅油为外层液体,系统研究了同轴射流形态随工艺参数的变化规律,研究了关键工艺参数对成形结构尺寸和形状的作用关系,打印成形结构尺寸与电压、喷针-衬底间距、衬底速度成反比,与内层液体流量成正比,并在此基础上优化了同轴电流体喷射打印纳米尺度结构的工艺参数。（4）采用锆钛酸铅（PZT）溶胶为典型压电材料,打印制造了高质量PZT压电纳米线形结构。基于同轴聚焦电流体喷射的仿真与工艺研究,以PZT溶胶为内层材料,打印制造了 PZT线阵列、折线、梁等纳米线形结构,最小特征尺寸为40nm、打印速度为300 mm·s-1,实现了压电纳米线形结构的高效打印制造。PZT纳米线退火后显示标准钙钛矿相结构,晶粒尺寸～5 nm,远小于块材10μm的晶粒尺寸。打印制造的PZT纳米结构压电常数d33为450 pm·V-1,杨氏模量E为21 GPa,展现了高压电性、高柔性等电学和力学特性,为高性能纳米器件提供了基础结构。（5）基于压电振动理论与纳米梁结构特性,研究了打印制造PZT纳米梁的谐振性能。通过理论分析与纵向伸缩振动模态仿真,获得了压电纳米梁纵振一阶特征频率及其主振型,利用打印制造的两端固支PZT纳米梁,设计制备了纵向长度伸缩振动压电纳米梁高频谐振子。基于压电激振-电流拾振原理,建立了纳米梁谐振测试系统,评价了 PZT压电纳米梁谐振子的谐振特性,采用栅极直流偏置电压的预紧作用,实现了谐振子基态特征频率的有效调节,为高性能纳米器件的设计制造提供了可行方案。
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