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2019年  第1卷  第1期

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综述
面向原子和近原子尺度制造
房丰洲, 张楠, 郭东明, Kornel Ehmann4, 张志辉, 刘奎, Kazuya Yamamura
2019, 1(1). doi: 10.1088/2631-7990/ab0dfc
摘要:

自从18世纪70年代以来,工具及制造技术精度以前所未有速度向前发展,经历毫米级手工制造、微米及纳米级机器制造、并逐步进入原子尺度。天津大学房丰洲教授提出了以原子及近原子尺度制造为核心的制造发展的下一个时代, 即,制造III,并与国际该领域研究人员一起基于去除,增加及迁移机制的系统的梳理了该技术。文中阐明制造业的发展历程和趋势可分为三个阶段:以经验和技艺为基础的手工成型制造I时代,基于机器精度的可控制造II时代,接近物质基本组成的原子和近原子尺度的制造III时代。 论文系统地分析了包括超精密加工,高能粒子束加工,原子刻蚀及基于原子力显微镜制造技术用于获得原子尺度结构及原子精度表面。目前,聚焦电子束可以实现针对二维材料原子级去除。原子尺度增材制造则以大分子可控组装为主,例如DNA 折叠结构,基于蛋白质及缩氨酸可控组装复杂结构。原子级迁移则概述了扫描隧道显微镜、原子力显微镜及扫描透射电子显微镜用于单个原子的操作。并在此基础之上归纳了原子和近原子尺度制造、测量及应用。半导体领域摩尔定律逐渐逼近其物理极限。其典型代表如:苹果A12 芯片及华为麒麟980芯片都采用了7纳米加工工艺。 这就意味着每个平方厘米的芯片上集成了近70亿个电子管。业界同时还在开发5纳米及3纳米加工工艺,而线宽3nm意味着几十个原子宽度。这一切都说明无论是工业界还是科研领域,人们已经逐渐进入原子领域。与此同时,人类社会的发展面临资源枯竭、环境污染、气候变化、水资源缺乏及贫困等诸多挑战,这些挑战都与人类生产生活方式息息相关。 我们应该怎么做呢?作者认为原子和近原子尺度制造改变了原材料,器件及产品生产方式用与满足用户的苛刻使用要求, 可以彻底改变包括人类现有生产方式,进而应对人类社会所面临的诸多挑战。未来针对原子和近原子尺度制造将基于基础研究、探索原子级功能器件、多种材料原子和近原子尺度制造、 并实现原子和近原子尺度规模化制造。

纳米结构激光合成及功能化
Costas P. Grigoropoulos
2019, 1(1). doi: 10.1088/2631-7990/ab0eca
摘要:

在激光微加工和无掩模纳米制造领域,关于激光材料在时空尺度上相互作用的基础研究一直是研究人员关注的热点。对相关能量传输现象的理解为微/纳米制造、纳米材料合成及将其集成到电子和能量器件上的应用开辟了新的途径, 众多新方法被应用于纳米结构局部改性、生长和组装。本文介绍了半导体材料在结构彩色超表面的纳米结晶,高时空分辨率半导体材料的定向生长,二维层状半导体的激光改性,包括空间选择性和稳定掺杂等方面的最新研究进展。

混合飞秒激光3D微/纳加工
Koji Sugioka
2019, 1(1). doi: 10.1088/2631-7990/ab0eda
摘要:

目前激光作为各种材料加工合成的必要工具而被广泛应用,其中超快激光(飞秒激光和皮秒激光)常用来实现低环境负荷、高品质、高效率的材料制备。基于超快激光,已成功研发的技术包括:3D微/纳米制造技术、大纵横比加工技术、新型材料合成技术等,这些技术已经应用在生物芯片及高功能光子、电子微/纳米器件制造中。在这些技术中,本文对3D微/纳米制造技术进行介绍。飞秒激光具有极高峰值强度和超短脉冲宽度,可诱导激光波长下透明材料的非线性多光子吸收;更重要的是,透明材料中的飞秒激光束聚焦可将非线性相互作用限制在聚焦体积之内,从而实现3D微/纳米制造;这一3D制造能力可提供3种不同的加工制造策略:非变形制造、减材制造和增材制造;此外,通过不同策略的混合可以创造出复杂程度极高的3D结构并提升结构的功能。混合飞秒激光3D微/纳加工技术为材料加工打开了一扇新的大门。

复合材料微加工综述
Mahadi Hasan, Jingwei Zhao, Zhengyi Jiang
2019, 1(1). doi: 10.1088/2631-7990/ab0f74
摘要:

近年来,复合材料在微型尺度领域的应用越来越受到医学、电子、航空航天、微加工等领域的重视。微制造是生产微型复合材料零件的一个共同趋势。事实上,主要由电子产品和硅基产品推动的微型化趋势在过去20年发展非常迅速。然而,硅基产品在几何结构(2D和2.5D)、材料(仅Si)、机械性能和成本方面有一些固有的局限性。这些问题使研究人员找到了可以替代的块材料。结果,由于很难通过整体材料获得最高的材料性能,使用块材料(如金属、陶瓷、聚合物及其合金)的潜力接近饱和。另一方面,复合材料在极端机械、电、磁、光和热性能方面展现了满足新兴工业需求的无限可能。通过选择合适的组合,也可以获得特定性能,因此复合材料从微米到纳米尺度的各种应用中必不可少。然而,还没有一篇全面的文献来综述、比较和讨论正在进行的用于生产微型复合材料组件的微制造方法。本文确定了用于复合材料的主要微制造方法,对其子类进行分类,并重点介绍了复合材料制造的最新发展、新趋势以及关键因素对生产、质量和成本的影响。通过对比研究,阐明了生产复合材料的潜力、多功能性和未来可能的应用。该综述有利于促进微制造技术的发展,以制造复合材料微型产品,来满足世界日益增长的工业需求。

精密光学元件微纳尺度增材制造
Abolfazl Zolfaghari, Tiantong Chen, Allen Y. Yi
2019, 1(1). doi: 10.1088/2631-7990/ab0fa5
摘要:

在光学制造中,作为一种替代方法,增材制造工艺因其在极复杂形状制造方面具备独特能力而受到广泛关注,而在过去,使用传统制造方法如精密加工、压缩或注塑等工艺加工极复杂形状是很难甚至是不可能实现的。与传统工艺相比,增材制造也为光学元件的设计和制造提供了极大的灵活性。增材制造可用于制造微米尺度或纳米尺度的单个光学元件或系统。与传统方法相比,增材制造还具有材料浪费少,设计和制造之间时间变短等优势。此外,虽然在不装配情况下多个零件加工的能力尚未研发完全,但可以被认为是另外一个优势。 

精密光学元件的增材制造给极高水平的定制提供了解决方法。现阶段,精密光学元件的增材制造在微米尺度(微透镜或微镜)和纳米尺度光学制造的微光学元件加工方面有很大优势,其中大部分工作都是在微光学元件的加工过程中进行的。由于现有的增材制造工艺不易扩展到大尺寸光学器件,所以本综述主要集中讨论微米尺度和纳米尺度的光学制造。本文还详细讨论了微/纳米光学加工中增材制造方法的局限性和研究成果。对于具有纳米特征的光学器件中增材制造的应用,本文综述了包括蘸笔纳米光刻、电流体动力喷墨打印技术和激光直写等技术。 

精密光学器件增材制造在制备高性能光学元件方面显示出很好的应用前景。由这些元件组成的设备和系统也展现了独特的特征和性能。虽然根据现有信息很难断定这项令人兴奋的技术的确切能力,但现有信息清楚地描述了一个有前途的工艺流程,使光学制造业在不久的将来发生革命性的变化。然而,在增材制造得以进一步实施之前,仍有许多问题亟待解决。这些问题包括但不限于光学元件的折射率分布、几何结构和体积收缩。本文旨在为研究者和工业界提供一个平台,吸引其参与并最终实现这一前沿制造工艺及其相关产品。

磨料水射流微加工脆性材料冲蚀机理
T Nguyen, 王军
2019, 1(1). doi: 10.1088/2631-7990/ab1028
摘要:

作为一种在各方面均具有明显优势的先进制造技术,超高压磨料水射流越来越多地应用于工业中各种材料加工。澳大利亚新南威尔士大学研究团队20多年一直致力于该项技术的研究并探索相关科学。最近出版的关于磨料水射流加工研究的文献计量分析表明,新南威尔士大学研究团队是世界这一领域最活跃且最有影响力的研究团队。2000年以来,该团对一直在寻求新的途径来开发微磨料水射流技术,以满足工业生产对高完整性表面质量微结构制造的需求。该项研究源于用于建造微结构的材料常常难以加工,而现有技术或无法满足精度需求或成本高昂。因此,商业上成本可行的无损伤制造微结构被称为21世纪最具前沿的技术之一。本文综述了新南威尔士大学在磨料水射流微加工技术方面的研究进展,重点介绍了目前用于产生微磨料射流的系统设计、单相和两相典型脆性材料加工有关的冲蚀机理,以及为数学和定量估计工艺性能测量而开发的处理模型。综述总结了该技术的可行性及其发展趋势。

高速加工中材料亚表面损伤的“趋肤效应”
张璧, 殷景飞
2019, 1(1). doi: 10.1088/2631-7990/ab103b
摘要:

钛合金等材料、硬脆材料以及铝基碳化硅等复合材料在航空航天、国防、医疗、半导体等领域有重要应用,然而这些材料都属于难加工材料,在加工中很容易引入亚表面损伤,影响最终加工零件的性能和寿命。当前有很多理论和技术可用于加工这些材料,但是有其各自的局限性。其中,高速加工具有加工效率高,加工表面质量高,可加工工件材料范围广,在难加工材料的加工上具有广阔的应用前景。然而高速加工的根本机制仍然未知,这阻碍了其应用和发展。 本文首次指出在高应变率加工下材料亚表面损伤存在“趋肤效应”。本文在国内外关于加工损伤的研究成果基础上,确定了影响损伤形成的主要因素。在应力应变场、温度场、材料对载荷和加载速率的响应、裂纹萌生和扩展等诸多影响因素中,认为应变率是导致材料加工过程中损伤“趋肤效应”的主导因素。阐述了在高应变率(>103 s-1)加工下材料发生脆化现象,进而引起亚表面损伤呈现“趋肤效应”。本文从位错动力学和裂纹萌生与扩展等方面,讨论了亚表面损伤的“趋肤效应”机理。亚表面损伤的“趋肤效应”可为预测材料在高应变率加工中的变形和亚表面损伤提供指导,适用于装甲防护、采石、石油钻探和工程材料(如陶瓷和铝基碳化硅等)的高速加工。

研究论文
二维材料自限激光结晶与直写
Zabihollah Ahmadi, Baha Yakupoglu, Nurul Azam, Salah Elafandi, Masoud Mahjouri-Samani
2019, 1(1). doi: 10.1088/2631-7990/ab0edc
摘要:

最新发现的原子级薄度包含过渡金属硫化物的二维量子材料显示出在未来光电子学、光子学、传感和能源应用方面的巨大潜力。二维材料在不同基底上的直接生长、图案化和集成是实现其在下一代器件中应用潜力的重要步骤。然而,传统的气相生长技术与直接图案化工艺并不兼容。本文提出基于激光的二维材料合成和加工方法,该方法依赖于化学计量非晶薄层(约3-5nm)的自限激光晶化(SLLC)。这项技术主要利用了非晶态和晶态MoS2不同相之间的光学特性显著差异,允许特定设计的激光二维材料相互作用,以达到高质量和宽加工窗口的自限晶化现象。这种独特的激光加工方法可以实现高质量的结晶、直写和图案化,并将各种二维材料集成到未来的功能器件中。