單晶硅的切向納動研究.pdf

1、“納動”是指相對運動的位移幅值在納米量級的特殊摩擦運動方式，其接觸面積和載荷通常遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)微動，普遍存在于微機電系統(tǒng)中。由于機械振動、熱交換、流體運動和電磁震動等引起的配合面納動可造成接觸表面獨特的磨損，進(jìn)而引起微機電系統(tǒng)的松動、咬合、信號失真、噪聲增加；或造成裂紋萌生、擴展，使構(gòu)件使用壽命急劇降低。因此，微機電系統(tǒng)中的納動損傷問題已成為繼滑動磨損、粘著破壞之后又一關(guān)鍵摩擦學(xué)問題。
　　 本文針對微機電系統(tǒng)中的納動損傷問題，利用

2、原子力顯微鏡，采用金剛石和二氧化硅球形探針系統(tǒng)地研究了單晶硅(100)的切向納動運行行為和損傷特性。研究過程中，首先提出了一種改進(jìn)的原子力顯微鏡切向力標(biāo)定方法，以精確標(biāo)定原子力顯微鏡的摩擦力測量系統(tǒng)；進(jìn)而采用金剛石針尖闡明了單晶硅納動損傷模式的轉(zhuǎn)變過程，提出了損傷模式轉(zhuǎn)變的臨界條件；在此基礎(chǔ)上，采用球形SiO2針尖揭示了界面粘著、環(huán)境氣氛與單晶硅表面親/疏水性對Si(100)/SiO2納動運行和損傷的影響規(guī)律；最后系統(tǒng)分析了Si(100

3、)/SiO2納動磨損的機理，著重強調(diào)了摩擦化學(xué)反應(yīng)在單晶硅納動磨損中的作用。基于以上研究，本文得到以下主要結(jié)論：
　　 (1)在傳統(tǒng)楔形標(biāo)定法的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的原子力顯微鏡切向力標(biāo)定方法。該方法全面考察了摩擦力標(biāo)定系數(shù)隨標(biāo)定載荷的變化趨勢，選取高載下相對穩(wěn)定的數(shù)據(jù)作為最終的標(biāo)定結(jié)果，避免了低載標(biāo)定所引入的誤差，因此更加適合應(yīng)用于原子力顯微鏡的摩擦力標(biāo)定。該方法的建立為后續(xù)研究工作的開展奠定了實驗基礎(chǔ)。
　　 (2

4、)單晶硅的納動損傷強烈地依賴于載荷和循環(huán)次數(shù)。隨載荷的增加或在一定載荷條件下隨循環(huán)次數(shù)的增加，納動損傷先后經(jīng)歷了表面隆起、下陷和材料去除幾個階段。分析結(jié)果顯示，單晶硅的納動損傷從表面隆起到下陷轉(zhuǎn)變對應(yīng)的臨界接觸應(yīng)力接近單晶硅的硬度。
　　 (3)隨著SiO2針尖和樣品間粘著力的增加，納動的粘著區(qū)將會向高位移幅值方向移動。在真空中，納動運行的摩擦力較低，單晶硅的納動損傷以機械變形為主，表現(xiàn)為表面隆起的形成；而大氣下，納動運行的摩擦

5、力較高且隨循環(huán)次數(shù)的增加變化劇烈，納動損傷以摩擦化學(xué)反應(yīng)為主導(dǎo)，表現(xiàn)為較深的溝槽。
　　 (4)單晶硅表面越親水，粘著力越大，納動粘著區(qū)對應(yīng)的位移幅值區(qū)間越大。由于納動過程中SiO2針尖的原位摩擦化學(xué)修飾，導(dǎo)致納動后Si(100)/SiO2的粘著力和摩擦力下降。真空中的納動損傷較輕微，表現(xiàn)為疏水硅和原始硅表面較低的隆起，以及親水硅表面較淺的凹陷。大氣環(huán)境下的納動損傷較嚴(yán)重，表現(xiàn)為單晶硅表面較深的溝槽，且溝槽的深度隨單晶硅表面親水