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2020年  第2卷  第4期

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综述
用于微系统应用的新兴微型储能器件:从设计到集成
刘怀志, 张冠华, 郑鑫, 陈逢军, 段辉高
2020, 2(4). doi: 10.1088/2631-7990/abba12
摘要:

综述 ● 开放获取阅读更多

1.文章导读

日益增长的微/纳米系统(如微机电系统(MEMS),微/纳米机器人,智能便携式/可穿戴微系统和可植入微型医疗设备)的需求推动了微型储能器件(MESD)的发展及其所需的极端制造工艺,如图1所示。微型储能器件的电极尺寸一般在微米范围内,其不仅可以用作微/纳米系统的能源供给,而且还可以直接与微/纳米设备集成,从而满足对集成化,智能化,紧凑化和轻巧化的需求。科研人员研究了有关微型电池和微型超级电容器的材料制备,结构设计,电极制造方法,功能化以及对于未来的研究方向展开了激烈的讨论,然而一个全面的从早期设计到后续以目标为导向的电极制造和集成应用的概括仍是非常需要的。近期,湖南大学汽车车身设计及制造国家重点实验室的刘怀志博士,张冠华副教授,郑鑫,陈逢军副教授和段辉高教授在《极端制造》期刊International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上发表《用于微系统应用的新兴微型储能器件:从设计到集成》的综述,作者全面地总结了微型储能器件的结构设计,微电极制造,材料加工以及相关应用,如图2所示。此外,由微型储能器件和一系列实用的微型电子器件组成的片上集成微系统被进一步讨论。最后,作者对于更好地促进微型储能器件的开发和实际应用做了进一步的展望。

图1 微型储能器件在各种微/纳米系统中的集成和应用:微/纳米机器人,微机电系统,可植入医疗设备,智能电子器件。

图2 微型储能器件的全面介绍:结构设计,微电极制造,相关应用及片上集成微系统。

2.研究背景

微型储能器件主要包括微型电池(MBs),微型超级电容器(MSCs),以及新兴的微型混合金属离子电容器(MHMICs)。微型储能器件易于与特定微电子器件和微系统集成以及满足其所要求的电化学性能,使其成为微型电子设备和集成微系统应用不可或缺的的一部分。图3显示了过去10年(2010-2019)有关微型电池(MBs),微型超级电容器(MSCs),微型混合金属离子电容器(MHMICs)的文章发表数量,发文量的急剧增加表明微型储能系统的重要性日益提高,并且有必要做更进一步的研究。图4和图5展示了微型储能器件常见的结构设计以及微电极的先进制造技术。

图3 过去10年与微型储能器件相关的论文研究数量。

图4 微型储能器件常见的结构设计。

图5 微型储能器件常见的微电极制造方法。

3.最新进展

微型储能器件的最新进展分为三个部分:微型电池、微型超级电容器和微型混合金属离子电容器。在每个部分中,作者依次讨论了其背景,原理,具体分类和最新进展。除此之外,作者特别讨论了由微型储能器件和各种微电子设备组成的片上集成微系统及其应用前景。

微型电池

为满足微型电子设备的迫切需求,构建具有优异的机械稳定性和高性能的微型电池以及集成的微电子系统是非常重要的。图6展示了几种不同的锂离子微型电池的应用。

图6 微型电池-锂离子微型电池。(a)柔性锂离子微型电池的示意图;(b,c)3D叉指微型锂离子电池;(d,e,f)全部件3D打印的锂离子微型电池。(a)经许可转载,版权所有(2012)美国化学会。(b,c)经许可转载,版权所有(2013)WILEY。(d,e,f)经许可转载,版权所有(2018)WILEY。

微型超级电容器

近年来,随着具有高功率密度,出色倍率性能,快速响应以及长循环能力的微型电源的出现,人们对微型超级电容器的兴趣日益增加。图7展示了典型的赝电容式微型超级电容器及其在众多微系统中的应用。

图7 赝电容微型超级电容器。(a,b,c)压印法用的MXene墨水和充放电曲线;(d,e,f)NiFe2O4电镜图及对应的循环伏安曲线和充放电曲线;(g,h)(VN)// MnO2 微型超级电容器的示意图。(a,b,c) 经许可转载,版权所有(2018)WILEY。(d,e,f)经许可转载, 版权所有(2016)。(g,h) 经许可转载, 版权所有(2018)Elsevier。

微型混合金属离子电容器

典型的混合金属离子电容器是由一个电容电极和一个电池类型的法拉第电极组合而成。从能量存储机制的角度来看,电容性正极通过离子在表面上的吸附/解吸起作用,而负极则通过阳离子嵌入/脱出起作用。两种不对称充电/放电过程倾向于在不同的电势下工作,从而有助于扩大工作电势窗口,并且还改善了电子器件的能量密度。图8展示了微型混合电容器的典型应用,它们在微型化器件应用和高度集成的微系统的开发中具有广阔的前景。

图8 微型混合金属离子电容器。(a,b,c)LTO // AG-微型混合锂离子电容器示意图及电化学性能展示。(d,e,f)VS2 @ EG // AC 微型混合钠离子电容器示意图及电化学性能展示。(a,b,c) 经许可转载,皇家化学学会版权所有2018。(d,e,f)经许可转载,版权所有(2019)WILEY。

片上集成微系统

理想的基于微型储能器件的片上集成微系统不仅要具有优异的电化学性能和良好的耐用性,还应能适用于特定的用途。在该研究领域里,微型储能器件与能量收集装置、屏幕显示器、燃料电池、传送器、电致变色以及多种传感器的集成已被广泛研究。图9展示了微型储能器件与不同微电子产品之间的集成应用。

图9 片上集成微系统。(a,b)由光催化燃料电池和微型超级电容器组成的全柔性系统。(c,d)微型电池的透光率和雾度效应的示意图。(e)传送器的照片和示意图。(f)串联式微型超级电容器与太阳能电池和气体传感器组成的微系统。(a,b)经许可转载,美国化学学会版权所有2019。(c, d)经许可转载,皇家化学学会版权所有2018。(e)经许可转载,版权所有(2017)Elsevier。(f)经许可转载,版权所有(2017)WILEY。

4.未来展望

从微型储能器件最新进展来看,未来的挑战不仅是要在有限的器件面积内提高电化学性能(例如高能量和高功率密度),提高使用寿命,而且还需要整合多功能电子器件以满足微型电子设备和微系统的多种需求。为了更好地促进微型储能器件的发展,未来的研究应关注以下几个方面。1)先进的结构设计和微/纳米结构设计。2)实用的微电极制造技术。3)高性能多功能的活性物质及其表征方法。4)合适高效的电解质。5)与微电子器件集成的微系统应用。

研究论文
飞秒激光液相冲击碎裂微纳加工硅材料及其生物应用
张东石, 吳亮均, 植木雅志, 伊藤嘉浩, 杉冈幸次
2020, 2(4). doi: 10.1088/2631-7990/abb5f3
摘要:

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1.文章导读

微纳米制造技术已成为各国竞相角逐的科技竞技场,是兴国之器和立国之本。传统的微纳制造技术可以被细分为光刻(软压印,反应离子刻蚀等)和非光刻技术(激光加工,碎裂,褶皱,折叠等),每种工艺能针对不同材料进行不同精度的加工制造,但是每种工艺也有其技术局限性。如何打破现有工艺的限制,推动新型微纳米制造技术的开发和新型微纳结构的制备已成为一项意义深远且极具挑战性的课题。近期,日本理化学研究所(RIKEN)先进光子中心(RAP)张东石博士,杉冈幸次教授和伊藤嘉浩教授等研究人员《极端制造》期刊International Journal of Extreme Manufacturing,IJEM)上共同发表《飞秒激光液相冲击碎裂微纳加工硅材料及其生物应用》的文章,报道了一种新型飞秒激光微纳加工工艺,将传统的飞秒激光液相加工,飞秒激光液相冲击和碎裂工艺相结合,首次实现了飞秒激光液相冲击碎裂微纳加工易碎硅材料,制备了现有工艺无法实现的多种三维en échelon碎裂微纳结构,并扩展了该新工艺在多孔材料结构制备和干细胞形貌调控方面的应用。

2.研究背景

飞秒激光与物质的相互作用会产生瞬时的高温高压环境和超强的冲击波,已被开发成飞秒激光微纳加工工艺和飞秒激光冲击工艺,分别用于材料的表面微纳多尺度结构制备和改善材料尤其是金属材料的力学特性。在液态环境中,飞秒激光微纳加工更易产生小于200nm周期的高频表面周期纳米结构(HSFLs)[1],还可利用激光诱导水分解产生的粘附性气泡进行水下气泡辅助加工制备新型周期性扇形微纳复合结构[2]。飞秒激光液相冲击由于液体环境对冲击波的传输限制作用,可极大地增强冲击效果。迄今,关于飞秒激光液相微纳加工易碎材料(如硅材料)的报道很多,所制备的结构已广泛应用于光学、生物等多学科交叉领域。但是关于飞秒激光冲击易碎材料的报道极少,主要是由于工艺的不可控性和碎裂后的材料对实际应用几乎毫无任何意义。

硅材料广泛应用于太阳能电池,太阳能硅基电池板在运输和安装过程中受震动的影响容易产生碎裂,所以硅材料的碎裂研究引起了学术界的兴趣。2018年里昂大学的科研人员在Nature Communication杂志上报道了碎裂速度和表面纹痕的相互关系,如图1所示。不同碎裂速度会产生不同形貌的碎裂结构条纹,慢碎裂(传输速度1200 m/s)形成“钩子”型纹痕,快碎裂(传输速度3600 m/s)形成“弧形”纹痕[3]。通过维氏预压痕和弯曲碎裂产生的纹痕表面,仅有纳米尺度的高度,而且还很难形成连续的大面积阵列,所以目前这种碎裂结构的实用性还鲜有报道。如何能够将这种碎裂纹痕3D微纳织构化仍是一项具有挑战性的课题。鉴于此结构非常类似于自然界地质学大量存在的梯度褶曲碎裂结构,新型微纳碎裂制造工艺的开发不仅能推动碎裂结构的相关基础研究(比如形貌控制,碎裂机理和力学分析)和多领域实用性研究,还有助于增进对地质结构形成机理的理解。

图1. (a)碎裂强度与传播速度的关系。(b,c)低速和高速的硅材料碎裂纹痕。经许可转载。版权所有(2018)Nature出版社。

在本文中日本理化学研究所的科研人员提出了一种飞秒激光液相冲击碎裂微纳加工(下文简称飞秒激光碎裂加工)的新工艺。在Opto-Electronic Advances 2,190002(2019)的报道中,本文作者观测到液相水环境下,采用600mW高能量的飞秒激光,通过调节扫描间距和扫描速度,可以制备HSFLs全覆盖的微米平行沟槽,如图2所示[1]。在飞秒激光微纳加工过程中,数十微米深度的平行沟槽必将诱导等离子体增强效应并极大地限制超强冲击波的传输,在此种情况下冲击波的能量将几乎完全作用于沟槽侧壁,引起平行沟槽的破裂,实现飞秒激光加工、飞秒激光冲击和冲击波碎裂工艺的同时进行。由于很难实时监测飞秒激光碎裂加工的动力学过程,研究人员采用扫描电镜(SEM)对不同碎裂形貌进行了表征归纳,揭示了飞秒激光碎裂加工的典型形貌,平行沟槽的碎裂路径,冲击波的纳米重构效应,并探索了飞秒激光碎裂加工在制备新型多孔结构以及碎裂结构在生物干细胞形貌控制方面的潜在应用。在文末作者澄清了飞秒激光冲击工艺与新型飞秒激光冲击碎裂加工工艺的区别。

图2. 飞秒激光液相加工生成的高频纳米周期结构(HSFLs)全覆盖的平行沟槽结构(激光能量600mW,扫描速度0.1和0.5mm/s,扫描间隔20微米)[1]。

3.最新进展

图3. 飞秒激光碎裂加工形成的微纳结构俯视图和不同角度侧视图,不同扫描速度下(0.2,0.5和1mm/s,恒定激光能量(700mW)和恒定扫描间距(15微米)。(a-c)绿色箭头指示部分碎裂沟槽。(j-l)粉色箭头代表“钩状”结构的形成。

碎裂微纳结构俯视图和侧视图 图3展示了利用高激光能量的飞秒激光(脉宽457 fs,波长1045 nm,重复频率100 kHz,激光能量700mW)在不同扫描速度下(0.2,0.5和1mm/s)和恒定扫描间距(15微米)获得硅微纳结构的俯视图和不同角度的侧视图。可以看到平行沟槽几乎完全碎裂,形成凹凸不平且相对光滑的表面结构。在平行沟槽中间生成多种形状的多孔结构(图3a-f),孔的不均匀性代表飞秒激光碎裂加工过程的随机性和不可控性。图3g-i展示的未被完全碎裂的沟槽侧视图表明平行沟槽的深度达到数十微米,足够导致等离子体增强效应和限制冲击波的传输。图3j-l发现了类似于图1b所示慢碎裂生成的“钩子”型纹痕,暗示了飞秒激光碎裂加工通常诱导低速碎裂而不是高速碎裂,证明了三维碎裂加工的可能性,突破了传统工艺的限制。

图4. En échelon 微纹痕及纳米抛物线状纹痕。

En échelon微纹痕及纳米抛物线状纹痕 图4展现了典型的en échelon微纹痕及其纳米抛物线状纹痕。碎裂起始于沟槽的一个角落(图4a),然后沿着平行沟槽的方向传输。在碎裂传输的过程中,裂纹的强度和方向会不断变化,产生一系列en échelon微纹痕及其纳米抛物线状纹痕。碎裂纹痕可分为三种典型的结构,如图4b三种不同颜色所表示。红色标识勾画了一系列始于碎裂起始点(starting point)的en échelon微纹痕,在其间分布着大面积的纳米抛物线状纹痕(绿色标识区域),如图4d-f所示。粉色标识表明纵向碎裂传播会形成一系列抛物线型台阶状结构,在图4m更明显。在每层台阶上,会分布着一系列不同取向的纳米结构(图4n-o),表明碎裂可以在不同维度同时传播。图4g-h和图4j-k显示裂纹倾向于先向下传输然后再向顶端传输,形成多达6层深度逐步递减的抛物线型微米台阶结构(图4h)和数层“弧形”纳米纹痕(图4l)。在高度非突变(高度突变如图4n)的微米台阶结构上会生成大面积纳米抛物线状纹痕(图4h-i),表明大尺度碎裂传播过程中会伴随着一系列纳米尺度的碎裂波前震动。图4c-d 表明许多纳米纹痕演变成HSFLs或珍珠状纳米颗粒,此现象将在图9详细表征和分析。

图5. 纳米分层结构。

纳米分层结构 图5a-f展现了飞秒激光碎裂加工生成的旋转,Z字型和立体旋转纳米分层结构,分层结构的高度由深到浅逐渐减少,分层高度最小可达5nm。传统的飞秒激光液相加工由于衍射光学极限的限制通常只能实现微米或者亚微米精度的加工,碎裂工艺的引入给飞秒激光微纳加工赋予了传统光刻工艺层状纳米织构的能力,极大地弥补了飞秒激光加工的纳米制造能力不足,为极端环境下的超精细加工提供了一种新的思路。

图6. 纳米纹痕阵列及其密度增强。

纳米纹痕阵列及其密度增强 图6a-f展现了连续4次螺旋状en échelon微碎裂所生成的一系列纳米纹痕,纳米纹痕的高度由下向上逐渐递增(图6e)。图6b和6e不同颜色的线条标识了不同方向的纳米纹痕,表明了纳米纹痕的产生可以来自沟槽内部和沟槽外部。图6d和6g-i展现了两端同时碎裂引起的纳米纹痕在绿色箭头和粉色箭头区域交叠可以增强纳米纹痕阵列密度的现象。图6表明通过控制同一界面两端碎裂可以实现纳米纹痕密度增强,通过控制碎裂引发点和碎裂强度还可以实现纳米纹痕的交错。

图7. 碎裂分叉导致的结构突变。

碎裂分叉 不同裂痕路径的同时碎裂或相继碎裂会导致结构和碎裂纹痕的突变,如图7所示。

图8. 碎裂路径和生成的微米碎屑。

碎裂路径和生成的微米碎屑 通过对部分碎裂沟槽侧壁的分析,研究人员揭示了沟槽的碎裂路径和产生碎裂的原因。图8a-i表明纳米尺度和微米尺度的缺陷充斥着沟槽的侧壁,裂痕会在脱离碎屑的边缘指向性延伸。大量的碎屑脱离会产生大面积的裂痕,这些裂痕会相互交织覆盖整个侧壁,在冲击波的作用下便会导致大面积的块体脱离,最长能达到约40微米,如图8j-r所示。碎屑的弧度边缘表明了碎裂的曲向传播。大面积碎裂的表面还存在一些其他碎裂痕纹(图8j-l),表明同一个沟槽的碎裂可能经历一系列连续的“冲击-脱离”事件,局部的小面积碎屑首先脱离,随后发生大面积碎屑脱离。

图9. 碎裂纹痕纳米尺度重构。

碎裂纹痕纳米尺度重构 正常情况下,碎裂纹痕的表面应该是光滑的,但是实验发现在碎裂结构的边缘和相对密闭的空间生成了高频周期结构HSFLs,如图9a-h所示。这表明冲击波会对碎裂的纳米纹痕进行重构。通过Raman测试,发现HSFLs结构的形成与硅无定形化有关。由于没有明显的热融化痕迹,材料的无定型化应该是气泡破裂产生的相对比较温和的冲击波导致的晶格缺陷和堆叠位错所引起的。当纳米纹痕间隔在100-200纳米范围之内,纳米纹痕被重构成珍珠项链状纳米颗粒阵列,如图9i-p所示。此种结构在低扫描速度下相对比较均匀和完整,而在高扫描速度下则比较混乱,表明改变扫描速度可以改变纳米纹痕局部的应力场。

图10. 飞秒激光碎裂加工制备多孔结构:固定扫描线间距(5微米),不同功率(700 mW和200 mW)和不同扫描速度下(0.2,0.5 和 1 mm/s)。

均匀多孔阵列的制备 一个新工艺的诞生必然伴随着对其应用性的探索,因此如何应用激光碎裂加工工艺便成为了一项全新的挑战。本文的科研人员探索出了飞秒激光碎裂加工的两项应用前景。一种是通过调控激光功率和扫描速度实现了均匀性良好的多孔材料制备,如图10所示。利用不同激光能量(200和700mW)和低扫描速度(0.2mm/s)所获得的表面形貌比较混乱且孔密度有限。当扫描速度增加到0.5和1 mm/s时,低能量(200mW)激光扫描会产生均匀的多孔结构,它们错落地分布在碎裂结构之间。比较有趣的是孔的方向是倾斜的而不是垂直于衬底,这是由于大量气泡产生所导致的激光折射和反射所引起的。在本文作者之前的International Journal of Extreme Manufacturing,2020,2,015001报道中曾证实气泡引起的光折射可以导致≥50°的入射角偏移[2]。在空气环境下经过多次飞秒激光扫描获得的都是垂直多孔结构,此工作首次证实了飞秒激光碎裂微纳加工制造倾斜多孔阵列的可行性。

图11. 干细胞形貌调控(a-c)和(d-f)在碎裂结构上(加工参数:功率700mW, 扫描速度0.2mm/s,扫描间隔5和15微米)经72小时培养后的EB3干细胞荧光染色光学图片和SEM图。

干细胞形貌调控 研究人员证实了碎裂结构可以用于干细胞形貌调控。图11展示了在碎裂结构上(工艺参数:激光能量700mW,扫描速度0.2mm/s,扫描间隔5和15微米)经72小时培养后的EB3干细胞荧光染色光学图片和SEM图。可以看出碎裂的凹陷结构和未完全碎裂的侧壁会使干细胞呈球形聚集,聚集的干细胞尺度受碎裂结构局部特性影响,尺寸分布在20-240微米之间。

4.未来展望

飞秒激光冲击波碎裂加工工艺是一种新颖的微纳制造技术,提供了一种快速高效的微纳米梯度阵列结构的制造方法,可实现精度达5nm的层状纳米结构的制备,还具有多孔材料的制造能力,所制备的结构在生物领域具有潜在的应用前景。此工作可为地质学和材料力学研究提供了很好的交叉学科素材。但是该工艺目前在可操控性方面仍很欠缺,有很大的改进和提升空间。虽然加工过程很难控制,这种工艺无论在制造方法学还是结构多样性方面都展现了其独特性,为极端条件下的加工提供了更多可能性。

大尺寸KDP晶体水溶解超精密环形抛光轨迹均匀性研究
程志鹏, 高航, 刘子源, 郭东明
2020, 2(4). doi: 10.1088/2631-7990/abaabe
摘要:

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1.文章导读

大尺寸磷酸二氢钾(KDP)晶体是惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion, 记为ICF)工程中不可替代的非线性光学元件。由于尺寸的限制,以往的研究大多只是针对KDP晶体去除原理和表面粗糙度的探究,而对大尺寸KDP晶体的平面度研究较少。而水溶解超精密环形抛光技术(Water Dissolution Ultra-precision Continuous Polishing, 记为WDUCP)因其低表面损伤和高加工效率等优点,是一种实现大尺寸KDP晶体超精密加工的新技术。在水溶解加工过程中,水核的轨迹均匀性直接影响KDP晶体的表面质量,包括平面度和粗糙度等。特别是因运动形式的不同而导致的不均匀轨迹分布会对晶体表面质量产生显著影响。近期,大连理工大学机械工程学院、精密与特种加工教育部重点实验室的高航教授、郭东明教授、程志鹏博士生和刘子源博士生《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上共同发表《大尺寸KDP晶体水溶解超精密环形抛光轨迹均匀性研究》的文章。首先介绍了WDUCP的材料去除机理,然后对不同运动形式下水核在KDP晶体上的运动轨迹进行了仿真分析,并引入变异系数作为轨迹均匀性的评价标准。最后,采用大型环形抛光机对仿真结果进行了试验验证。在不定偏心运动形式下,以100mm×100mm×10mm KDP晶体为例,实现了表面粗糙度RMS 2.182 nm,平面度22.013μm的平坦化抛光,从而验证了WDUCP技术用于加工大尺寸KDP晶体的可行性与有效性。

2.研究背景

磷酸二氢钾(KDP)晶体作为一种优质的电光非线性光学材料,是惯性约束聚变(ICF)高能激光系统中电光开关和倍频转换元件的唯一选择。ICF对其提出了极高的加工要求,大尺寸,较低的表面粗糙度和较好的平面度。然而,由于KDP晶体本身具有高脆性,质地柔软,易于潮解和对温度敏感等特性,是公认的一种难加工的材料。近些年来发展起来的水溶解抛光技术被认为是实现大尺寸KDP晶体超精密加工的新技术,本文结合轨迹均匀性,对实现大尺寸KDP晶体加工的水溶解超精密环形抛光技术进行了研究。

3.最新进展

水溶解抛光是一种以无磨料微乳液为抛光液的特殊化学机械抛光技术。油包水抛光液由水、油和表面活性剂组成,水分子被束缚在胶束中形成水核。在抛光区域,在一定的抛光压力F下,抛光垫与晶体表面直接接触,如图1(b)示。抛光垫与晶体表面粗糙峰之间的水核受到挤压、摩擦进而变形破裂,破裂水核内部的水分子流出并溶解晶体表面材料,溶解产物在抛光垫的机械作用以及抛光液的流动作用下被不断的带走,以此实现材料的去除,最终实现KDP晶体的均匀抛光,具体如图1(a)所示。

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图 1(a)WDUCP去除过程;(b)WDUCP去除机理。

在定偏心运动形式下,利用图形变换法可以得到水核在晶体表面的运动轨迹方程如式1所示:

\[\left\{ {_{{X_2}_P = {r_\omega }sin\left( {{\omega _P} - {\omega _\omega }} \right)t + e{\mathop{\rm s}\nolimits} in{\omega _\omega }t}^{{X_2}_P = {r_\omega }cos\left( {{\omega _P} - {\omega _\omega }} \right)t + ecos{\omega _\omega }t}} \right.\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\left( 1 \right)\]

同理,在不定偏心运动形式下,可得初始位置P相对于晶体的运动轨迹方程如式2所示:

\[\left\{ {_{{X_2}_P' = {r_\omega }sin\left( {{\omega _P} - {\omega _\omega }} \right)t + e{\mathop{\rm s}\nolimits} in{\omega _\omega }t}^{{X_2}_P' = {r_\omega }cos\left( {{\omega _P} - {\omega _\omega }} \right)t + ecos{\omega _\omega }t + Asin\frac{{2\pi t}}{T}}} \right.\;\;\;\;\;\;\left( 2 \right)\]

将晶体表面划分成一定数量的方形区域,具体如图2所示,统计一定时间内各区域(如S1)内轨迹点数量,通过区域划分策略和区域统计策略得出晶体上所有经过划分区域内轨迹线上采样点的个数,对采样数据进行处理后得到数据的标准差σ和算数平均值差μ。

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图 2 晶体表面离散化

值得注意的是,标准差和方差作为数据离散程度的评价标准具有各自的局限性,容易受到不同样本数据的影响,因此本研究采用变异系数(Coefficient of Variation,记为CV)作为轨迹均匀性的评价指标,变异系数能直观反应数据的分布状况,是原始总体数据Q的标准差与算术平均值的比值,如式3所示。变异系数的大小不仅受变量值离散程度的影响,而且还受变量值平均水平大小的影响,CV越小,轨迹均匀性越好,反之,CV越大,轨迹的均匀性越差,将轨迹均匀性用变异系数进行量化分析。

\[CV = \sigma /\mu \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\left( 3 \right)\]

定偏心与不定偏心运动形式下的运动仿真分析结果如图3所示。结果表明:当转速比在0-1范围内变化时,在定偏心运动形式下CV值为0.67 ~ 2.02,在不定偏心运动形式下CV值为0.48 ~ 0.65。当转速比为0.1时,两者的差距最明显,去除次数的对比如图4所示。而在转速比为1时,两者的差距最小(图5)。在相同的转速比时,在不定偏心运动形式下,CV较小,说明轨迹均匀性更好,并且不同区域内材料去除次数基本相同,波动较小。因此,采用不定偏心运动形式,有利于实现对大尺寸KDP晶体的高质量加工。

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图 3 定偏心与不定偏心运动形式下变异系数对比

图 4 转速比0.1时去除次数对比(a)定偏心;(b)不定偏心。

图 5 转速比1时去除次数对比(a)定偏心;(b)不定偏心。

在自制的大型环形抛光机上以不同转速比进行WDUCP试验,抛光盘尺寸为1080mm,设备可实现定偏心与不定偏心两种运动形式,具体结构如图6所示。

图 6 大型环形抛光机结构示意图

定偏心和不定偏心式下的表面粗糙度对比如图7所示。测量结果表明,两种运动形式加工后,表面粗糙度RMS分别达到4.678 nm和2.182 nm。在不定偏心运动形式下,表面粗糙度较小,可以得到超光滑表面。

图 7 WDUCP加工后表面粗糙度(a)定偏心;(b)不定偏心。

4.未来展望

水溶解超精密环形抛光技术是实现大尺寸KDP超精密加工行之有效的技术,通过对运动轨迹均匀性的分析,来实现KDP晶体的超精密抛光,势必会对大尺寸KDP的高质量加工起着重要的促进作用。然而,与工程应用的大尺寸KDP晶体(400mm×400mm)的超精密加工仍有一定的差距,并且晶体的不均匀抛光问题并未完全解决,塌边现象仍然存在。因此,深入理解水溶解超精密加工技术,结合实际问题,实现工程应用的大尺寸KDP晶体的超精密加工,具有重要的意义。

表面缺陷辅助硅片金刚石切削技术研究
Neha Khatri, Borad M Barkachary, B Muneeswaran, Rajab Al-Sayegh, Xichun Luo, Saurav Goel
2020, 2(4). doi: 10.1088/2631-7990/abab4a
摘要:

本文报道了金刚石切削硅片中融合表面缺陷加工(SDM)方法从而提升硅片性能的效果。混合微加工方法通常需要额外的硬件来实现混合加工技术的附加优势,例如激光加热、低温冷却、电脉冲或超声椭圆振动等。本文所采用的表面缺陷加工方法不需要任何额外硬件且易于在连续微加工模式下实现。本文利用硅切屑的拉曼光谱数据、平均表面粗糙度数据和图像数据比较了传统的单点金刚石车削(SPDT)和表面缺陷加工(SDM)在周向和径向上的表面缺陷。同时,采用三维有限元分析法(FEA)分析了加工晶圆上的切削力和残余应力演变。研究发现,在周向产生的表面缺陷间隔为1mm时,平均表面粗糙度(Ra)最低为3.2nm,而传统单点金刚石切削在相同切削参数下获得的平均表面粗糙度为8nm。对切屑进行拉曼光谱观测表明在两种微切削过程中均存在相变残余物。通过有限元分析法进行残余应力和亚表面完整性量化分析,发现沿周向制造的凹槽具有最佳的加工性能。

基于微结构的颗粒增强金属基复合材料加工中切屑形成和表面生成的三维表征
Qi Wu, Liangchi Zhang
2020, 2(4). doi: 10.1088/2631-7990/abab4b
摘要:

颗粒增强金属基复合材料(PRMMCs)由于含有硬脆增强颗粒而很难加工。现有实验研究很少揭示颗粒增强金属基复合材料加工过程中复杂材料的去除机制。本文建立了基于微结构的三维模型以研究加工中颗粒增强金属基复合材料的材料去除机理和表面完整性。为了精确模拟颗粒增强金属基复合材料的实际微观结构,多面体随机分布在基体内部以表征不规则的SiC颗粒。同时,考虑了颗粒破碎和基体变形破坏。为了比较模型性能,还进行了二维分析。相关切削实验表明,所建立的三维模型能准确预测材料去除、切屑形态、加工表面光洁度和切削力。研究发现,基体-颗粒-刀具的相互作用导致颗粒破碎,主要发生在沿切削路径和加工表面下方的主剪切区和次变形区。颗粒破碎和分离严重影响加工表面的质量。研究还发现,虽然二维模型可以反映特定的材料去除特征,但其预测微结构变化的能力有限。

4H-SiC和6H-SiC划擦过程中材料去除机理的分子动力学仿真研究
田子歌, 陈迅, 徐西鹏
2020, 2(4). doi: 10.1088/2631-7990/abc26c
摘要:

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1.文章导读

碳化硅(SiC)是一种第三代半导体材料,由于其优质的材料特性,被广泛应用于微电子,光电子,航空航天和能源等领域。作为碳化硅衬底加工的最后步骤,超精密抛光是获得超光滑,超平整,无损伤的衬底表面的有效方法。分子动力学仿真(Molecular Dynamics,MD)是研究原子间相互作用关系和运动的有效手段,常被用于各种机械加工过程的模拟,特别是用于研究纳米级或原子级加工中的材料变形和去除机制。近期,华侨大学和利物浦约翰摩尔斯大学的联合培养博士生田子歌、利物浦约翰摩尔斯大学的陈迅教授,和华侨大学的徐西鹏教授《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上共同发表《4H-SiC和6H-SiC划擦过程中材料去除机理的分子动力学仿真研究》的文章。文章通过分子动力学模拟,对4H-SiC和6H-SiC的碳面和硅面进行了一系列单颗粒划擦分析,研究了材料去除和相应的亚表面缺陷机理。研究表明,材料的变形去除由塑性无定形转变和位错滑移组成,这些位错滑移可能会导致脆性断裂。相对于碳化硅硅面,碳化硅碳面的材料去除效率更高,且非晶变形更少,这种现象与碳化硅(0001)晶面上的位错有关。此外,研究还发现通过将划擦深度设为半个碳化硅晶格常数c的整数倍可以减少亚表面缺陷,这也为实际加工参数的优化提供了参考。

2.研究背景

随着半导体技术的发展,特别是对于当下的5G通讯技术,半导体器件的品质和性能至关重要。获取超光滑、超平坦、无表面/亚表面损伤的衬底表面,对提高半导体器件的性能具有十分重要的意义。碳化硅作为第三代半导体材料,具有很多优质的特性,如宽禁带,化学性能稳定,高导热性和高温稳定性。碳化硅衬底也因其高硬度,高脆性和稳定的化学惰性而被认为是一种典型的难加工材料。对于碳化硅材料去除和损伤机理的认知就显得极为重要。近些年来学者们采用各种仿真方法来研究加工过程并优化其加工工艺,其中,分子动力学仿真通常用于纳米级或原子级加工的研究。本文通过分子动力学模拟对4H-SiC和6H-SiC的单颗粒划擦过程中的材料去除机理和相应的亚表面缺陷进行了研究。

3.最新进展

本文通过分子动力学模拟,对4H-SiC和6H-SiC的碳面和硅面进行了一系列单颗粒划擦模拟,分析了碳化硅的碳面和硅面在加工中体现出不同的材料去除效率和材料变形特性。图1所示为分子动力学模型和衬底材料的原子排列。

图1 分子动力学划擦模型及碳化硅的原子排列。

由于划擦实验和MD模拟的尺度局限性,直接比较结果既困难又不可靠。因此,采用力和划擦深度的比值来比较MD模拟和划痕实验的结果,如图2(a)和(b)所示。可以看出,对于从0.5到3 nm切深的仿真结果,4H-SiC的Si面的比值最大,接着依次是4H-SiC的C面、6H-SiC的Si面、6H-SiC的C面。同样地,图2(b)中的实验结果也显示出相同的趋势。此外,从图2(c)也可以看出,两种碳化硅材料的C面的材料去除量都大于Si面,这与先前的实验结果非常吻合。从图2(d)可以看出,当划痕深度为0.5nm时,没有发现位错。研究表明划痕深度越大,位错的数量越多,并且C面发生位错的数量大于Si面的位错数量。

图2(a)MD仿真的法向力与划擦深度的比值对比图;(b)划擦实验的法向力与划擦深度的比值对比图;(c)MD仿真中材料去除量对比图;(d)MD仿真中亚表面位错数量对比图。

从图3(a)和(b)可以看出,位错和应力集中主要发生在(0001)基面和(10-10)面上,而位错就是由划擦过程中的应力集中引起的。图3(d)和(e)对比了C面和Si面发生位错前后,局部应力峰值的变化。可以看出,C面的位错应力峰值低于Si面,这意味着在相同的划擦条件下,C面比Si面更容易发生错位。并且C面的位错更容易发生在(0001)面,而Si面的位错更容易发生在(10-10)面。这些位错会随着划擦的进行沿划痕方向滑移,(0001)基面上的位错和滑移将有助于去除材料,从而有较好的亚表面质量,而(10-10)面上的位错和滑动可能会导致严重的亚表面脆变。

图3 分子动力学仿真结果中的亚表面位错分析。(a)亚表面变形的原子图;(b)应力分布云图;(c)碳化硅原子晶体方向的示意图;(d)C面的亚表层局部区域应力峰值变化图;(d)Si面的亚表层局部区域应力峰值变化图。

从图4(a)可以看出,非晶原子区域呈现为阶梯状的倒三角形区域。这些阶梯的高度为六层原子,即6H-SiC晶胞的高度。另外,在凹槽的右侧下方,发现了(0001)基面上的位错,这些结果与图4(b)所示的由哈尔滨工业大学张飞虎教授团队进行的实验结果高度一致。仿真中尽管没有明显的裂纹,但是在纳米级刮擦中发生了不可逆的位错。由于加工过程中局部温度和应力的变化,这些位错有可能会形成微裂纹。在纳米级加工中,无定形变形被认为是塑性变形,原子位错则是由规则的滑动或分裂引发的弹性变形。这种滑移可能导致纳米级的微裂纹形成或者塑性变形(如果粘结键不破裂的话)。然而,在刮擦过程中发生的一些位错是可以在尖端通过变形区域后恢复。

图4(a)MD仿真中划擦后6H-SiC的表面横截面原子图;(b)划擦实验后6H-SiC衬底亚表层的TEM图。

图5展示了4H-SiC和6H-SiC的原子排列层结构以及在不同的刮擦深度(原子层整数倍)下的表面非晶变形层的厚度。可以看出,亚表面非晶变形层深度不随划擦原子层数成比例增加。当划擦深度设置为半个碳化硅晶格常数c的整数倍时,变形层厚度减小或增加量最小,这意味着更有利于减少亚表面缺陷并获得更高质量的衬底表面。

图5 MD仿真中不同划擦深度(原子层的整数倍)所产生的亚表层非晶变形层的厚度:
(a)4H-SiC;(b)6H-SiC。

4.未来展望

原子级精度的加工技术是获取超光滑、超平坦、无亚表面损伤的衬底表面的关键技术,它势必会对半导体器件的高质量加工起着重要的促进作用。分子动力学仿真作为一种纳米尺度的模拟手段,在加工领域的运用仍处于发展阶段。由于计算能力的限制,分子动力学仿真可实现的时间尺度和空间尺度与实际加工仍存在较大差异。但随着计算机技术和加工技术的迅速发展,这种差异会越来越小。另外,本文介绍的分析碳化硅材料去除机理和亚表面变形机制的方法也可以用于其他脆性材料的研究。

用于超精密大型光学加工的驱动等离子体传输系统设计
Hui Zhou, Adam Bennett, Marco Castelli, Renaud Jourdain, Jiang Guo, Nan Yu
2020, 2(4). doi: 10.1088/2631-7990/abab49
摘要:

克兰菲尔德大学发明并演示了一种独特的等离子成形(PF)工艺,以制造超大型望远镜。常压加工相对其它光整加工工艺更快、成本更低,因此为大型光学表面提供了一种重要的替代方法。工业规模制造成千上万的超精密米级光学器件,需要强大的等离子成形机,这一需求是通过使等离子传输系统性能具有可重复性来实现的。为满足工业需求,本研究提出了适用大型光学制造的专用等离子传输系统。该系统基于L型射频(RF)网络、电源供给和电感耦合等离子体喷枪。然而,这些技术的复杂性需要深入了解等离子系统中的集成组件。本研究为改进的等离子系统建立了智能控制系统,这种新型智能控制系统通过在线计量实现射频网络中关键电气元件的自动调谐,旨在进行确定性表征。本文介绍了设计的主要方面,并在电容与射频频率相关性良好的条件下对等离子体传输系统进行了测试。15小时测试中,稳定的等离子体传输系统可使等离子体稳定放电,且射频信号的偏差很小。