史鐵林

教授、博士生導師

長江學者特聘教授

華中科技大學機械科學與工程學院

史鐵林，教育部“微納制造與納米測量技術”創新團隊負責人、中國振動工程學會常務理事、中國振動工程學會動態信號分析專業委員會主任委員、中國振動工程學會故障診斷專業委員會副主任委員、中國微米納米技術學會理事。他先后獲多項中國青年科技獎、全國優秀博士后、湖北省五四青年獎章、中國機械工程學會杰出青年科技獎和首批“新世紀百千萬人才工程”國家級人選等榮譽稱號。他發表學術論文250余篇，其中SCI收錄150多篇，申請國家發明專利80多項，授權50多項。

問：納米技術、信息技術和生物技術并列為21世紀的三大科技，而納米制造則是支撐它們走向應用的基礎。那么，納米制造是如何定義的？其主要特征是什么？

史鐵林： 美國科學基金會將納米制造定義為構建適用于跨尺度集成的、可提供具有特定功能的產品和服務的納米尺度的結構、特征、器件和系統的制造過程。納米制造已遠遠超出常規制造的理論和技術范疇，相關技術的發展將依賴于新的科學原理和理論基礎，依賴于多學科交叉融合。納米制造從牛頓力學、宏觀統計分析和工程經驗為主要特征的傳統制造技術走向基于現代多學科綜合交叉集成的先進制造科學與技術。其主要特征在于：（1）制造對象與過程涉及跨尺度；（2）制造過程中界面/表面效益占主導作用；（3）制造過程中原子/分子行為及量子效應影響顯著；（4）制造裝備中微擾動影響顯著。

問：納米制造的關鍵結構從尺度上主要體現為結合微米與納米的跨尺度制造和納米范疇的納尺度制造，請介紹一下這兩種關鍵結構的特點，以及您的團隊在該領域取得的成果。

史鐵林：跨尺度集成制造是將不同尺度的結構組合、加工形成多尺度整體的過程。微納集成結構可以根據它們的結構特性分為無序分級結構、一維納米分支結構、層疊分級結構、幾何形狀可控分級結構和納米懸浮分級結構等。微納集成結構可以有不同的形狀、尺寸、層數等幾何特征，其關鍵的一點是要實現納結構在微結構上的定點、可控集成。穩定的微納集成結構不僅能為研究納米材料的光、電等方面的性能提供方便，還可能為功能微/納米電子器件的研制打下基礎。在微納結構的集成過程中，微結構界面的各種因素都會對納米結構集成效果帶來較大影響，因此研究微環境對納結構形成的影響機理，實現微環境的精確控制，是控制納米結構定域、定向和定尺度生長的關鍵因素。對于微納集成結構而言，它繼承了微結構的宏觀特性，并且兼具納米結構的表面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應等特性，同時還呈現出單個納米基元所不具備的新性質，如由于納米基元組合引起的量子耦合效應和協同效應等。研究表明，微納跨尺度集成結構具有改進的結構功能、器件性能，在仿生、生物醫藥、微/納流體、光子和電子等眾多器件中具有巨大的應用潛力。

本團隊前期對微納復合結構的批量化制造技術展開了深入研究，實現了硅及金屬氧化物微納復合結構的大面積可控制備；提出了碳化輔助納米結構集成的微納結構集成制造新原理，以及碳微圖形化的演變規律和三維懸浮納米結構的生成機理；發現了碳微結構表面集成類石墨薄膜納米皺褶結構的新現象，揭示了納米皺褶結構的生成機理；提出了C-MEMS/NEMS制造新方法和新工藝，開發了優化的C-MEMS制造工藝以及規模化組裝CNT的微納集成制造新工藝，開發了同質/異質低維納米線結構在C-MEMS結構上的一體化生長集成可控制造工藝。

納米尺度制造指制造的結構尺寸在納米量級，目前正朝著更小尺度的量子點制造方向發展。納米制造的方法通常分為2種，一種是Top-Down（自上而下）高精度加工，另一種是Bottom-Up（自下而上）的直接構建。這2種方法的主要區別是：對于自上而下的方法，零件和芯片已經是圖案，因此不需要自組裝步驟，已經成為微電子和計算機等行業持續發展的關鍵工具，但未來面臨越來越接近其固有尺寸極限等諸多障礙和挑戰；自下而上工藝主要包括自組裝技術和各類沉積與生長技術。

本團隊針對硅基納米結構的規模化可控制造技術進行了細致研究。通過結合納米球自組裝與金屬催化刻蝕，實現了高深寬比硅納米線的可控制備；通過納米壓印等圖形化工藝結合反應離子刻蝕，實現了大面積硅納米陣列的制備；利用基于CVD設備的氣-液-固（VLS）工藝，實現了硅納米線結構的生長；揭示了碳化輔助的納米結構生長和集成機制；針對金屬氧化物納米結構的可控制備技術也取得了一系列進展。

問：微納米結構獨特的優異性能及對微納制造基礎科學的廣泛而深入研究為納米技術的應用提供了巨大的探索空間和應用原型，請談談納米制造技術目前的應用情況。

史鐵林： 微納制造基礎科學研究是支撐納米科技走向應用的基礎，已成為當前的研究熱點和國際上高科技領域競爭的焦點之一，并在傳感檢測、新能源開發、能量轉換和儲存及生物技術等領域取得了飛速的發展。

納米制造技術在傳感檢測中具有廣泛的應用。使用納米結構制備的傳感器由于具有更大的比表面積和更高的縱橫比，在靈敏度和選擇性方面更具優勢，目前已引起越來越多的關注。例如，ZnO的各類納米結構被探索應用于有毒氣體檢測，同時利用其壓電效應及光電效應制備的壓力傳感、光學傳感以及納米發電機等器件均表現出了良好的性能。

隨著能源危機與環境問題日益突出，納米制造技術在太陽能電池、照明、鋰電池、光催化等方面的應用研究受到高度關注。傳統單晶硅太陽能電池的轉化效率較高，且己有工業應用，但對硅的純度要求很高，導致成本過高。本團隊在印刷碳對電極鈣鈦礦太陽能電池制備方面已取得顯著進展。發光二極管（Light Emitting Diode，LED）是一種以半導體為發光材料的發光組件，被稱為綠色光源，具有節能省電、環保、壽命長、體積小、響應快、抗振動等優點。納米結構的引入，能夠有效提高LED器件的性能，降低能耗。基于納米結構的鋰離子電池和超級電容等能量儲存器件和系統近年來的高速發展，能夠有效提高儲能器件的性能。

在氣敏傳感方面，本團隊以具有優異光學特性的Morpho蝴蝶為對象，揭示了Morpho磷翅微納結構特點與光學特性的關系，以及該微納結構對環境氛圍敏感的機理。試驗驗證了其優異的光學特性及對液體介質、氣體介質敏感效果。以制備具有優異特性的仿生微納結構為目標，提出采用AFM與ICP工藝相結合，用于微納尺度的結構或模板制備；提出采用ICP與電子束蒸發、濕法刻蝕相結合的分層復雜微納結構制備方法、ICP與納米線刻蝕 / 生長相結合的仿生微納結構制備方法，制備出了仿蝴蝶磷翅等微納結構，并初步驗證了該仿生結構的優異光學特性。在能量轉換方面，本團隊深入開展了基于鈣鈦礦的高性能太陽能器件研制，取得了豐碩的成果。