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纳米半导体材料与器件研发制造工艺技术

摘要：近年来，我国的纳米材料有了很大进展，纳米材料属于介观范畴，拥有不同于常规宏观或微观材料的特殊性能，在土木工程领域具备优异的改性能力。本文首先分析纳米材料，其次探讨纳米半导体材料与器件研发制造工艺，最后就纳米材料的发展前景进行研究，以供参考。

关键词：纳米半导体材料；器件研发；制造工艺

引言

目前，纳米器件的制造方法多采取“自上而下”的手段，即利用紫外光刻、电子束光刻、激光直写等技术构建器件电路，进而实现大规模器件及集成电路的制造。然而，随着对纳米器件研究的不断深入，人们发现，通过对单个纳米材料进行弯曲、折叠、扭转等，或对多个纳米材料进行连接、装配、排列等，可以实现特殊、复杂纳米结构的制造，获得性能更为优异的纳米器件。

1纳米材料分析

纳米材料是一类广泛的、无关化学组成且至少一个维度尺寸小于100nm的材料。微小尺寸赋予纳米材料独特的性质，如表面效应、小尺寸效应和量子隧道效应等，与常规材料相比，纳米材料能满足更高的性能需求。目前常用的纳米材料可分为无机纳米材料、有机纳米材料和复合纳米材料。随着制备方法的深入研究，纳米材料已在不同行业（如医药、光电、油田等领域）得到广泛应用。钻井液是钻井工程的“血液”，性能良好的钻井液对提高钻井速度与质量有着至关重要的作用。未来钻井深度、钻遇地层复杂性将不断增加，为了满足钻井发展趋势，钻井液各方面性能均需有所提升。纳米材料已被证明对改善钻井液各方面性能有积极作用。

2纳米半导体材料与器件研发制造工艺

2.1纳米材料在水泥基材料中的应用

对于水泥基材料，早期的研究表明，约有70%的水泥水化产物均具有纳米尺度，其中包括C-S-H凝胶、毛细孔、凝胶孔以及晶体水化物等，这些纳米尺度的物质能充分封堵水泥浆体孔隙，提升浆体的密实程度。该现象也是纳米改性水泥基复合材料的理论依据。同时纳米材料的掺入能明显提升比表面积、表面能以及需水量，影响水泥基材料的水化过程和产物，并决定了最终的强度和耐久性。将纳米SiO2掺入至聚丙烯纤维中制备获得改性纤维，并对该改性纤维的分散性、抗裂性等进行研究，同时分析了改性纤维在砂浆和混凝土中的应用情况。结果表明，改性纤维的力学性能优良，纳米SiO2在纤维表面分布均匀，大幅提升了纤维的抗裂性，且一定程度上也提高了纤维增强砂浆和混凝土的抗折和抗压强度。将纳米SiO2掺入至硫铝酸盐水泥中，研究发现改性水泥砂浆的初始强度显著增大，相比未加入纳米材料的对照组，改性组在56天后的抗折强度提升了约65%，并从微观层面分析揭示了纳米SiO2对于强度作用的影响机理。研究了新型纳米碳材料氧化石墨烯（GO）对水泥水化产物的聚集态影响，通过对不同GO掺量的水泥浆体进行自收缩测试，分析表明GO能促进水泥浆体内部大毛细孔的细化，提升毛细孔压力，促进了水泥基复合材料的自收缩，且掺量越大，自收缩越明显。综合采用纳米Al2O3、防冻剂、减水剂以及早强剂等研发制备了纳米复合水泥浆，结合扫描电镜、水化放热试验等，研究了该新型水泥浆的低温水化过程。研究发现，纳米复合水泥浆在-9℃的低温环境下仍具备优异的流动性，初终凝时间分别为84、101min，且24h抗压强度为6.9MPa，很好地解决了低温地层钻探时的井壁坍塌和井漏问题。

2.2纳米操作技术在纳米制造及纳米器件中的应用

近年来，基于ＳＰＭ的纳米操作技术由于具有纳米级别的成像及操作精度，因而被广泛用于单个纳米材料的性能测试及调控中。利用ＡＦＭ对石墨烯进行侧向操作，进而研究了石墨烯的边缘磨损行为，并分析了石墨烯褶皱形成的临界条件。该研究表明，ＡＦＭ探针针尖对石墨烯施加的法向力大小以及石墨烯的边缘结构是影响边缘磨损行为的主要因素。基于ＳＰＭ的操作还可以实现特殊纳米结构的装配及制造，有利于高性能器件的研制。通过ＡＦＭ将ＡｕＮＷｓ进行首尾对接排列，并通过冷焊技术将对接的ＮＷｓ进行互连，实现了一种低电阻电路结构的制造。每个连接处的电阻可小至９Ω，而且该方法可以轻松实现电路的重构。该研究证明了基于ＡＦＭ的操作技术是一种有望与光刻技术互补的纳米器件电路制造技术。综上，基于ＳＰＭ的纳米操作技术可以实现单个纳米材料的性能测试及调控、特殊纳米结构的装配及制造、纳米器件电路结构的制造等，是高性能器件研发的强有力工具之一。

2.3纳米材料调控钻井液流变性能机制

钻井液的流变性是指在外力作用下钻井液发生流动和变形的特性，对携带岩屑、提高钻速等起着十分重要的作用。纳米材料往往不会只对某一个流变参数产生影响，这是因为各流变参数间是内部联系的。当向钻井液中加入一定量无机纳米颗粒时，钻井液黏度既有可能上升，也有可能下降，不具备明确的影响规律，这和钻井液类型、纳米材料的种类及加量有关。一方面，纳米材料具有更高的比表面积，同等质量下能够提供更多的表面力，这会引起黏度的上升；另一方面，纳米颗粒的存在可能会屏蔽膨润土颗粒之间的部分相互作用，进而导致钻井液黏度的下降。纳米材料一般会使钻井液屈服强度得到提高，这是因为微小的尺寸可使其进入钻井液网架结构之间，并因较高的表面能吸附在膨润土颗粒表面，形成膨润土颗粒之间的第二种连接方式，得到更强的钻井液网架结构，从而提升屈服值。

3纳米材料的发展前景

当前，在纳米材料研究领域，我国已经制备出纳米陶瓷、NiO纳米微粒膜、碳纳米管等一系列新型的纳米材料，并成功应用于材料学、声光学以及物理化学等专业学科中，取得了较多的突破性进展，然而目前的研究大多基于实验室而开展，在实际应用方面仍存在较多的不足。（1）产业化投资风险大。纳米材料技术的生产成本高昂，生产过程中的规模经济效应极大，相关涉及生产费用一般需要一次性投入，因此在产业化方面面临着较高的资金风险。（2）纳米器件集成不足。目前的业内研究重点主要为纳米材料的研制和开发，在落地应用方面，缺乏相应的核心器件，因此，下一步的关键是纳米器件的研究和集成应用。（3）安全性问题。纳米材料的化学活性极强，对其环境释放量必须给予安全性方面的考虑，否则一旦被吸入体内，将存在一定的危害，如对肺部或心血管等造成损害，因此需要进一步研究其安全性控制措施，以降低环境释放量或进入体内的可能性。

结语

纳米材料的重点不在于材料的化学成分，而是纳米尺度，是纳米尺度赋予材料多种独特性能，如表面效应、小尺寸效应和量子尺寸效应等，使其在医药、光催化、涂料、油田等领域表现出优势。纳米材料的制备特点已逐渐由高耗能、不可控转为低成本、智能、绿色。当前纳米材料在钻井液中的应用仍处于初步阶段，大多数研究只简单地将未经功能化的纳米颗粒加入到钻井液中，虽能够表现出一定的积极作用，但并没有充分发挥出纳米材料的优势，不具备大规模的应用价值。结合不同材料特性及钻井液性能需求，对纳米颗粒进行有目的的改性或复合，将有效提升其在钻井液中的应用效果。在克服以上难题的同时，还应注重顺应钻井液未来发展需求，实现纳米材料在钻井液中的效用最大化。

参考文献

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