基于掃描探針顯微鏡的納米加工相關(guān)理論及技術(shù)研究.pdf

1、納米技術(shù)是當(dāng)代科學(xué)發(fā)展的一個(gè)新興領(lǐng)域，它的最終目標(biāo)就是在納米尺度上制造出具有特定功能的產(chǎn)品。納米技術(shù)的核心是納米加工技術(shù)。納米加工技術(shù)水平的提高將對微型機(jī)械、信息存儲(chǔ)、微電子技術(shù)、生物科學(xué)等技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的影響。掃描探針顯微鏡（包括掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM））因其具有原子和納米尺度的檢測和加工能力，在納米加工技術(shù)的發(fā)展中占有極其重要的地位。
　　納米加工機(jī)理是納米加工技術(shù)研究的重要內(nèi)容。目前基于SPM的納米

2、加工技術(shù)雖已能實(shí)現(xiàn)納米級(jí)厚度的材料去除，得到具有納米級(jí)加工精度的被加工表面，但是對納米加工過程機(jī)理的研究還有許多亟待解決的問題。在納米加工的尺度范圍內(nèi)，SPM針尖-樣品相互作用區(qū)域存在的量子效應(yīng)不能被忽略，繼續(xù)使用宏觀經(jīng)典理論來描述加工過程中的微觀機(jī)理已不再合適，必須依靠量子物理學(xué)等理論來研究加工過程中的相互作用，進(jìn)而深入描述納米加工過程中的微觀物理機(jī)制。此外，對于切削過程中的材料變形和剝離機(jī)理、表面與亞表面材料性能以及切削刀具與工件之

3、間的相互作用等方面還缺乏深入的了解。對于納米加工最終可達(dá)到的精度和納米切削機(jī)理，如切屑的去除機(jī)理和加工表面的形成機(jī)理等問題還有待深入研究。本文針對現(xiàn)有的納米加工微觀機(jī)理研究的不足，采用密度泛函理論的第一性原理計(jì)算研究納米加工表面形成過程中的內(nèi)部微觀輸運(yùn)機(jī)制，進(jìn)一步揭示納米加工過程的本質(zhì)和基本規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，利用掃描探針顯微鏡等納米加工設(shè)備進(jìn)行了納米級(jí)加工實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果對納米加工過程的微觀機(jī)理做出新的解釋，為現(xiàn)有的納米加工技術(shù)方法提供理

4、論解釋，并為進(jìn)一步探索新的納米加工技術(shù)手段提供理論依據(jù)，具體研究內(nèi)容包括如下幾個(gè)方面：
　　為了從原子尺度研究納米加工過程的本質(zhì)，在充分闡述納米物理體系的基本特征和納米尺度的表征手段的基礎(chǔ)上，結(jié)合密度泛函理論的第一性原理計(jì)算，在納米加工機(jī)理中考慮了量子效應(yīng)的影響，從針尖、樣品表面原子的微觀形貌和電子云分布特征出發(fā)，對SPM掃描、加工過程中針尖-樣品相互作用的微觀機(jī)制進(jìn)行了研究，揭示了SPM納米加工過程的本質(zhì)和基本規(guī)律，為今后的實(shí)驗(yàn)

5、奠定了理論基礎(chǔ)。
　　為了研究納米加工過程中針尖原子和樣品表面原子間的相互作用，構(gòu)建了適用于電場加工的STM納米加工系統(tǒng)，在該系統(tǒng)上對金薄膜和單晶硅材料進(jìn)行了納米級(jí)結(jié)構(gòu)的微細(xì)加工，研究了大氣狀態(tài)下STM納米加工時(shí)探針與試件表面間的相互作用機(jī)理，分析了脈沖個(gè)數(shù)、電流反饋環(huán)的開關(guān)、隧道間隙等參數(shù)在SPM電場加工中的作用機(jī)制。
　　為了研究納米級(jí)材料去除過程，本文應(yīng)用AFM和納米壓痕儀（Nanoindenter）進(jìn)行了材料的納米刻

6、劃實(shí)驗(yàn)，分析了材料從彈性變形到塑性變形的過程，得出了劃痕產(chǎn)生的刻劃臨界載荷值以及最小極限切削厚度。在研究納米劃痕形成過程的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)探討了加載速率、最大加載值對劃痕形成、刻劃臨界載荷值的影響規(guī)律。
　　為了進(jìn)一步研究SPM納米刻劃過程，以典型的一維納米材料-碳納米管為研究對象，采用納米壓痕儀刻劃模式對多壁碳納米管的徑向結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過分析劃入過程摩擦系數(shù)隨施加載荷值的變化趨勢，證明了多壁碳納米管受機(jī)械刻劃作用，從發(fā)

7、生彈性變形、進(jìn)而發(fā)生塑性變形，最終導(dǎo)致斷裂的過程，給出了碳納米管徑向斷裂的臨界載荷值，為碳納米管力學(xué)性能研究提供了一種實(shí)驗(yàn)研究的方法，拓寬了掃描探針顯微技術(shù)在納米技術(shù)研究中的應(yīng)用范圍。
　　在系統(tǒng)地研究了基于SPM的納米刻劃過程的基礎(chǔ)上，應(yīng)用AFM金剛石針尖對金屬材料進(jìn)行了納米級(jí)凹坑的加工試驗(yàn)，研究了納米尺度加工中切屑形成的過程。通過SEM和AFM分析了被加工表面質(zhì)量和切屑形態(tài)，較為系統(tǒng)地研究了垂直載荷、刻劃速度、橫向進(jìn)給量、加工