关键词： 微纳加工   课程思政   教学案例   课程改革  

摘要： 将专业课与思想政治理论课有机结合，实现课程思政教育是对高校专业课教育提出的新要求。文章通过分析“微纳加工技术”课程的授课内容，对课程中蕴含的思政元素及所承载的思想政治教育功能进行了深入挖掘，根据不同的教学单元课程内容特点和内涵，分别融合了科学素养、爱国情怀、工匠精神、创新意识等方面的思政元素，并设计了完整的课程思政案例，以期为其他课程的课程思政案例设计提供参考。

关键词： 微纳加工技术   防伪技术   防伪标签   防伪材料   数字防伪  

摘要： 目的 对国内外微纳加工技术在包装防伪中的应用研究进行梳理,帮助相关行业从业者更清晰、全面地了解当前微纳加工技术包装防伪领域的发展和应用现状,推动微纳加工技术在该领域的推广应用。方法 本文将相关研究大致分为微纳加工技术在新型防伪标签的制备、新型防伪材料制备和数字防伪领域的应用研究等3个方面,并对相关研究概况、关键科学技术实现方法以及核心防伪机理进行梳理,分析微纳加工技术应用于包装防伪中的优缺点和发展趋势,聚焦复合防伪技术的挑战和未来发展方向。结论 国内外研究综述表明,微纳加工技术的快速发展为防伪技术提供了一种全新的技术和方法,微纳加工技术与信息技术等构成的复合防伪技术更是表现出了巨大的商业化应用潜力。但目前微纳加工技术在包装防伪中的应用还处于初级阶段,大部分实验室成果在面临产业化落地时仍受到成本、可靠性等因素的限制。未来在如何满足精度要求的同时,进一步降低设备和材料成本,优化工艺流程,还需要进行更深入的探索研究。

关键词： 紫外纳秒激光加工   润湿性   摩擦磨损   PEEK功能表面微织构  

摘要： 聚醚醚酮（Polyetheretherketone,PEEK）是一种机械性能优异、生物相容性出色的工程热塑性聚合物，被广泛应用于工业及医疗领域。当PEEK作为医用骨植入物材料时，需要增加其润湿性、耐摩擦磨损等性能，以有效提升PEEK骨关节部件使用性能。微织构激光加工技术通过采用激光在材料表面加工微小结构来提升表面能、捕捉摩擦碎屑、增加细胞接触面积等，从而改善材料表面功能性，具有精度高、速度快等优点。PEEK材料对355nm紫外激光吸收系数较高，但是其表面微织构的紫外纳秒激光加工研究较少。由于微织构的形貌特征与其表面功能性密切相关，因此需要研究激光与PEEK相互作用关系，并据此对激光参数进行优化，以获得高精度PEEK微织构。此外，PEEK骨关节部件通常包含曲面，因此需要研究曲面PEEK微织构的激光加工技术。因此，本文开展了平面及曲面PEEK微织构的紫外纳秒激光加工技术及其表面功能性研究，具体研究内容如下：　　首先，研究PEEK表面微织构的紫外纳秒激光加工基本原理与方法。基于COMSOL建立具有移动热源边界的紫外纳秒多脉冲激光烧蚀的有限元仿真模型，据此研究紫外纳秒激光与PEEK的相互作用关系，通过对比实验结果与仿真结果验证模型的准确性。选用紫外纳秒激光器以及多轴运动平台搭建平面及曲面PEEK微织构激光加工装置。此外，开展平面与曲面PEEK的车削实验研究，通过控制车削参数获得表面粗糙度小于1μm的平面及曲面PEEK工件，实现后续激光加工样件的制备。　　其次，开展平面PEEK微织构的紫外纳秒激光加工特性及其表面功能性研究。采用有限元仿真研究单脉冲能量与光斑重叠率对PEEK激光烧蚀形貌的影响规律，并在此基础上进行平均功率、扫描速度和扫描频率等激光加工参数优选。利用优选激光加工参数制备高精度PEEK微织构，并研究其表面润湿性与化学成分。对润湿性较好的高精度PEEK微织构表面进行摩擦磨损实验，通过对比摩擦系数与磨损形貌研究PEEK表面微织构对其摩擦磨损性能的影响特性。　　最后，开展曲面PEEK微织构的多轴联动紫外纳秒激光加工特性及其表面润湿性研究。进行球面微织构两轴联动激光加工过程仿真，并通过后处理获得加工轨迹及NC代码。通过紫外纳秒激光器与多轴联动平台耦合实现PEEK球面微织构的激光加工。研究激光加工路径约束、液氮辅助冷却、激光加工工艺参数优化等工艺方法对球面微织构激光加工效果的提升，据此获得高精度PEEK球面微织构，并对其表面润湿性进行理论分析与实验表征。

关键词： 聚焦离子束   电子显微学   半导体器件   材料失效分析  

摘要： 原位聚焦离子束技术(in situ focused ion beams,in situ FIB)采用电离的高能离子轰击材料并与材料表面发生相互作用,从而实现对材料的成像、刻蚀与沉积功能。原位FIB具有纳米级的加工精度,是微纳器件加工制造与失效分析的重要研究方式。本文以原位FIB技术为核心,结合原位透射电子显微技术及X射线能谱技术,研究了合金电极材料与氮化镓材料的可靠性问题,阐明了合金电极的多种失效机理,构建了合金材料的微观形貌演化及其电学特性的联系。此外,优化了多种原位聚焦离子束技术的加工、表征方法,拓展了原位聚焦离子束技术的应用范围,并结合扫描透射电子显微镜成功表征了碳掺杂氮化镓薄膜的位错核原子结构,加深了对氮化镓位错缺陷的理解,为后续合金电极与氮化镓器件可靠性的优化方向提供直观实验基础与理论指导。研究内容如下:(1)基于原位FIB技术合金电极材料的可靠性研究。采用原位聚焦离子束技术结合X射线色散能谱仪,研究了植入式合金电极的微观形貌变化与关键区域的元素迁移状况。揭示了合金电极的非生物性和生物性两种失效机制,即工艺过度镀金和长期植入过程中的有机物包裹。构建了电极微观形貌演化及其电学特性的联系,明确了不同失效机制对神经信号的影响。为设计和制造高可靠性神经电极奠定了基础。(2)基于原位FIB技术的TEM平面样品制备与优化。基于原位FIB技术探索并总结了两种平面TEM样品制备方法,其中一种可用于制备大面积平面TEM样品,但操作步骤复杂,且样品的最终厚度约为200 nm,仅适用于制备需要观测大面积形貌的平面样品。而优化后的平面样品制备方法,可以制备厚度小于80 nm的平面样品,可实现原子尺度的高精细结构表征。该工作拓展了原位聚焦离子束技术的应用范围。(3)基于原位FIB技术的碳掺杂氮化镓(Ga N)位错原子结构表征。采用扫描透射电子显微镜对基于优化原位FIB技术制备的Ga N平面样品进行表征。重点研究了位错缺陷的原子结构,发现局部位置原子结构发生畸变,导致原子间距变大,形成了类4-6圆环结构。加深了对Ga N位错缺陷结构的理解,为后续研究界面抑制缺陷形成与高质量Ga N薄膜的可控生长,制备高可靠性氮化镓基器件提供了直观的实验证据。本文基于合金电极以及氮化镓位错缺陷的研究有助于后续器件可靠性的优化提升。同时,本文基于原位聚焦离子束技术总结并优化的平面样品制备技术同样适用于其他体系材料与先进半导体器件的平面TEM样品制备。

关键词： 激光微纳加工   激光注射   软物质   液晶  

摘要： 针对软物质的激光微纳加工技术,通过激光辅助机械注射和可控自组装来实现装配软物质微滴球体结构的目的,相较于传统的液滴微流控技术具有显著的优势.本文研究了激光能量、光束尺寸、曝光位置等激光参数对激光辅助机械注射的影响,得到了最佳的激光参数条件范围,发现过高的激光强度(如0.365 mW)可诱发液晶材料的对流而不注入子液滴.研究了表面活性剂浓度、液晶种类和相态等材料因素对注射机械力,以及注入子液滴尺寸的影响.证实表面活性剂浓度影响的实质是不同的离子浓度会改变相同升温条件下所形成的界面张力梯度值(注射机械力提高3.1倍);发现液晶的相态对激光注射没有影响,而液晶的种类会改变注入难度(弹性常数K值越高越难注入).此外,引入液晶微滴的拓扑相错线作为子液滴的自组装模板,分析了注入子液滴在拓扑相错线上的自组装动力学过程.软物质激光微纳加工技术可应用于光电子、生物医药等领域的三维球体结构的极端加工与应用开发.

关键词： 微纳加工与表征技术   高性能   高集成度   有机光电器件  

摘要： 微纳加工与表征技术是实现高性能集成光电器件的必要手段。基于有机半导体的光电器件具有可柔性化、低成本以及可溶液法制备的优势,可广泛应用于光探测、信息显示、健康监测、智能穿戴设备等领域。文章通过介绍可用于制备高性能集成光电器件的主流微纳加工与表征手段和技术原理,综述了其在高性能集成有机光电器件研究中的重要进展,结合研究实例对比分析了不同微纳加工与表征手段在实际研究中的优劣点。

关键词： 芯片制造   光学微纳加工   多学科交叉   基础研究  

摘要： 基于第282期“双清论坛”,本文分析了我国未来芯片及其制造技术发展面临的国际形势、技术挑战和发展趋势,回顾了光学微纳加工技术近年来与光学工程、物理学、电子科学与技术、仪器科学与技术、集成电路科学与工程等多个学科领域交叉取得的主要进展和成就,凝练了未来芯片制造中光学微纳加工技术亟需解决的基础科学问题,展望了光学微纳加工技术科学前沿,探讨了未来5~10年我国在该领域亟待关注的研究方向。

关键词： 铜表面   纳秒激光加工   抗腐蚀能力   三维铜箔集流体   锂离子电池  

摘要： 固体表面的浸润性是探究表面性质一项重要指标,主要包括有超疏水性、超疏油性、超亲水性和超亲油性。铜作为一种过渡金属,因具有高延展性以及良好的机械性能与电学性能,在各个领域受到了广泛的应用。同时,激光表面处理技术具有操作简便、加工效率高、加工成本低以及绿色无污染等特点,使得其在诸多表面处理技术中脱颖而出。因此,本文以铜金属为研究对象,致力于通过纳秒激光表面处理技术加工铜基超浸润性表面,并深入探究其在抗腐蚀及能源领域的应用,进而为铜基超浸润性表面的工程应用奠定理论基础和技术支撑。具体研究内容及研究成果如下:采用纳秒激光表面处理技术,在纯铜表面上加工网格状阵列结构。利用扫描电子显微镜和接触角测量仪,研究了激光表面处理过程对铜表面的二维形貌、三维轮廓和不同溶液浸润性的影响规律。实验证明:激光烧蚀过程使得铜表面粗糙度发生剧烈变化,致使其表面对水与酯类电解液的浸润性发生改变。对于纳秒激光加工的铜表面,利用1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷混合溶液进行表面改性处理,实现了超疏水性。利用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪,分别检测了超疏水铜表面经过碱溶液刻蚀后表面的形貌变化和化学成分变化,并从分子级别揭示了超疏水材料的抗腐蚀能力的本质。最后通过电化学测试表面的动电位极化曲线和电化学阻抗谱,进一步证明了经过激光加工后表面优异的抗碱能力以及抗腐蚀能力的机理。利用激光加工的铜作为负极集流体,开展锂离子电池的组装与电化学性能研究。实验证明了经过激光烧蚀后,铜表面产生了大量的氧化铜和氧化亚铜混合物质,使得铜箔表面形成大量的活性位点,从而可以降低锂的成核电位,有利于锂的均匀成核和沉积。电学性能测试表明,经激光表面处理的铜表面作为集流体组装成的半电池、对称电池和全电池,其在不同的电流密度下对锂电池的循环寿命均产生了积极的影响,尤其是在0.5 m A cm的电流密度下其循环寿命相比于纯铜表面提升了两倍,进一步证明了激光表面处理技术为三维铜箔集流体的制备提供了一种高效、绿色的方法。

关键词： 大面阵螺线微沟槽   等离子体刻蚀工艺   Bosch工艺   Pseudo Bosch工艺   低温工艺   刻蚀侧壁形貌  

摘要： 微光学陀螺的核心元件谐振腔属于异型、非均匀、精度要求较高的大面阵密集微纳结构元件,其加工、检测难度较大,关于微光学陀螺的核心元件的加工仍是国际超精密加工、微纳加工领域重要的研究内容之一。本文旨在研究利用等离子体刻蚀工艺进行其核心结构——大面阵螺线微沟槽结构的加工。首先,分析了刻蚀设备的工作原理,并基于容性放电下的非均匀放电模型就刻蚀工艺参数对部分等离子体参数的影响进行了分析。结合等离子体放电阐述了刻蚀工艺基本原理,说明了三种常见深硅刻蚀工艺中的基本反应。采用基于等离子体的流体力学模型描述了等离子体的宏观状态,并结合电子能量分布和离子能量分布阐述了等离子体参数对刻蚀形貌的影响。其次,采用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics中的等离子体模块,以电负性气体Cl放电为例,仿真得到了刻蚀腔室内等离子体参数的空间分布以及线圈功率、气体压强和气体流量对等离子体参数的影响。采用半导体仿真软件Silvaco TCAD分析了不同掩膜材料、掩膜厚度、掩膜线宽以及刻蚀时间和刻蚀气压对刻蚀形貌的影响。最后,基于软掩膜和硬掩膜两种工艺方案,结合三种深硅刻蚀工艺加工了大面阵螺线微沟槽结构。使用Auto CAD和KLayout分别绘制得到了大面阵复杂螺线,优化设计了软、硬两类刻蚀掩膜的制备方法及刻蚀工艺。进行了基于Bosch工艺、Pseudo Bosch工艺以及低温工艺的刻蚀,通过优化工艺参数,加工得到了粗糙度较低的大面阵螺旋沟槽结构,其沟槽侧壁在8.221μm×8.221μm的范围内可达2.571nm粗糙度。