【摘要】：納米技術(shù)領(lǐng)航二十一世紀科技的發(fā)展,同時也是各國科學(xué)技術(shù)競爭的制高點。作為當(dāng)今世界多數(shù)國家最優(yōu)先發(fā)展的科技領(lǐng)域之一,納米科技正在不斷改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)和生活。微納米加工技術(shù)是支撐納米科技走向應(yīng)用的基礎(chǔ)。然而,器件的微型化趨勢給傳統(tǒng)的微納加工技術(shù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。在改進原有加工工藝的同時,尋求新的納米加工技術(shù)迫在眉睫。因此,開展納米加工方面的基礎(chǔ)研究,無論對于納米技術(shù)的發(fā)展,還是對于我國在新一輪科技競爭中保持有利地位,都具有十分重大而深遠的意義。 研究發(fā)現(xiàn),單晶硅表面在低載下的接觸與摩擦過程中,會產(chǎn)生一系列的納米凸結(jié)構(gòu)。本文利用原子力顯微鏡,系統(tǒng)地研究了實驗參數(shù)(氣氛環(huán)境、加工載荷、循環(huán)次數(shù)、速度等)對單晶硅表面摩擦誘導(dǎo)納米凸結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律；分別利用掃描X-射線微探針、俄歇納米探針和高分辨率透射電鏡分析了凸結(jié)構(gòu)表面化學(xué)成分和斷面微觀結(jié)構(gòu),結(jié)合在石英、玻璃表面對比實驗,揭示了單晶硅表面摩擦誘導(dǎo)納米凸結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生機制；采用原位納米力學(xué)測試系統(tǒng)測試了單晶硅表面納米凸結(jié)構(gòu)的機械性能,并提出了摩擦誘導(dǎo)納米加工的方法。所得到的主要結(jié)論如下： (1)首次在真空環(huán)境中觀測到單晶硅表面摩擦誘導(dǎo)納米凸結(jié)構(gòu)的形成。在原子力顯微鏡上,采用金剛石針尖加工并結(jié)合原位形貌掃描,首次在真空環(huán)境(5.0×10-6Torr)中觀測到單晶硅表面摩擦誘導(dǎo)納米凸結(jié)構(gòu)的形成。與大氣環(huán)境相比,真空環(huán)境更有利于單晶硅表面摩擦誘導(dǎo)納米凸結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。 (2)闡明了單晶硅表面摩擦誘導(dǎo)納米凸結(jié)構(gòu)的形成規(guī)律。單晶硅表面摩擦誘導(dǎo)納米凸結(jié)構(gòu)在材料發(fā)生屈服破壞前產(chǎn)生,載荷增加時,則會在表面形成凹槽結(jié)構(gòu)；無論在真空還是大氣環(huán)境中,單晶硅表面摩擦誘導(dǎo)納米凸結(jié)構(gòu)的高度和體積隨著載荷或循環(huán)次數(shù)的增加而增加并逐漸趨于平穩(wěn),隨著加工速度(10～1000μm/s)的增加而降低；單晶硅的晶面取向?qū)ν菇Y(jié)構(gòu)的產(chǎn)生有顯著的影響,晶面的彈性模量越高,在其表面所加工的凸結(jié)構(gòu)越低；在同樣的實驗條件下,在疏水處理、親水處理或覆有自組裝膜的單晶硅表面所產(chǎn)生的凸結(jié)構(gòu)均較原始硅表面低,這表明表面吸附的水膜或表面化學(xué)膜均不利于摩擦誘導(dǎo)納米凸結(jié)構(gòu)的形成。 (3)揭示出單晶硅表面摩擦誘導(dǎo)納米凸結(jié)構(gòu)的形成機制。采用X-射線微探針和俄歇納米探針對單晶硅表面摩擦誘導(dǎo)納米凸結(jié)構(gòu)的化學(xué)成分分析表明,單晶硅表面摩擦誘導(dǎo)納米凸結(jié)構(gòu)的形成是機械作用與氧化反應(yīng)共同作用的結(jié)果,但機械作用占主導(dǎo)；高分辨率透射電鏡的分析顯示凸結(jié)構(gòu)主要是由表面非晶層及其下方晶格變形層構(gòu)成,摩擦誘導(dǎo)的非晶化是單晶硅表面納米凸結(jié)構(gòu)形成的主導(dǎo)因素。 (4)初步建立了摩擦誘導(dǎo)納米加工的方法。單晶硅和石英表面摩擦誘導(dǎo)納米凸結(jié)構(gòu)均具有與基體相近的機械性能,能夠承受微機電系統(tǒng)典型的接觸壓力,因而可以滿足微機電系統(tǒng)服役的需要。利用摩擦誘導(dǎo)的方法,通過選擇合適的載荷及針尖的運行軌跡,可以在單晶硅、石英、玻璃等材料表面加工出一系列的納米點、線、面結(jié)構(gòu),由此初步建立了摩擦誘導(dǎo)納米加工方法。 總之,本文基于摩擦誘導(dǎo)納米凸結(jié)構(gòu)的形成及原理研究,提出了一種摩擦誘導(dǎo)納米加工的新方法。該方法無需模版,不需要施加電場,操作步驟簡單,設(shè)備成本低廉,加工過程無污染；不僅可以直接在單晶硅、石英和玻璃等材料表面構(gòu)造出納米凸結(jié)構(gòu),而且結(jié)合溶液選擇性刻蝕可以方便地加工出各種復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu),為納米壓印模板的加工提供了新的工藝途徑。因此,本論文有關(guān)摩擦誘導(dǎo)納米加工的研究,不僅豐富了納米摩擦學(xué)的基礎(chǔ)理論,而且有望對以掃描探針技術(shù)為基礎(chǔ)的納米加工方法的研究與發(fā)展產(chǎn)生積極推動作用。
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TH117

【參考文獻】

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本文編號：2657130