水和乙醇共吸附對Si-SiO2配副納米磨損的影響研究.pdf

1、目前，信息、航空航天、先進制造、生物等高新技術領域的微型化趨勢推動了一批高性能微機電系統(tǒng)(MEMS)的出現(xiàn)。然而，摩擦學問題是影響硅基MEMS長期可靠服役的重要因素，例如在潮濕環(huán)境中的運行部件由于接觸表面的黏著和摩擦磨損極易發(fā)生失效。除了傳統(tǒng)的涂層防護和液體潤滑外，研究發(fā)現(xiàn)酒精蒸汽防護能夠有效阻止硅基運動部件磨損失效，從而延長MEMS運行壽命。該方法具有成本低，不受基體部件復雜結構限制等優(yōu)點，因此有望實現(xiàn)在動態(tài)MEMS中的廣泛應用。酒精

2、蒸汽防護的機理源于酒精分子吸附膜持續(xù)對單晶硅基體的保護。然而此過程中，硅基上酒精分子防護層的形成不僅取決于酒精蒸汽相對分壓的大小，而且也與環(huán)境相對濕度密切相關。因此，有必要系統(tǒng)研究單晶硅和二氧化硅配副在不同濕度的空氣和不同分壓的酒精蒸汽混合環(huán)境下的納米磨損規(guī)律。
　　本文使用環(huán)境可控原子力顯微鏡(AFM)和自制的外接氣氛控制系統(tǒng)，系統(tǒng)研究了不同蒸氣分壓的乙醇氣體在潮濕空氣中對Si/SiO2配副納米磨損的防護效果，進而界定出潮濕環(huán)境

3、中實現(xiàn)乙醇蒸汽防護的臨界條件，并揭示其納米磨損防護機制。主要的研究結果和創(chuàng)新點總結如下:
　　(1)設計并制作了AFM外接氣氛控制系統(tǒng)。
　　基于安托萬方程(Antoine equation)經驗理論計算公式，以及利用控制流量和環(huán)境溫度的方法和原理，設計制作了AFM外接氣氛控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可將環(huán)境相對濕度和乙醇相對分壓范圍均控制在0％～90％，并實現(xiàn)它們的混合氣氛環(huán)境的精確控制，控制精度在±3％左右。
　　(2)探明了

4、不同比例的潮濕空氣和乙醇蒸汽混合氣氛中Si/SiO2配副的納米磨損規(guī)律。
　　單晶硅的納米磨損與環(huán)境濕度和乙醇蒸汽分壓均密切相關。當環(huán)境中乙醇相對分壓不變時，單晶硅的磨損深度隨濕度增加呈現(xiàn)先增大后降低的變化趨勢，磨損峰值出現(xiàn)的濕度大約為60％。當環(huán)境濕度不變時，單晶硅的磨損深度隨乙醇相對分壓增大而逐漸降低。當濕度小于50％時，單晶硅的納米磨損隨乙醇相對分壓的增大表現(xiàn)為有磨損到無磨損的轉變，且轉變對應的臨界乙醇分壓值隨環(huán)境濕度的上升

5、而增大。
　　(3)揭示了潮濕空氣中不同分壓乙醇蒸汽對Si/SiO2配副納米磨損的防護機制。
　　在潮濕空氣和乙醇蒸汽混合環(huán)境中，單晶硅表面由于水分和酒精分子吸附形成雙吸附層，水分子吸附在單晶硅表面，而乙醇分子處于最外層。因此，乙醇吸附層能夠在一定程度上阻止對磨副界面間Si-O-Si鍵橋的形成，從而抑制單晶硅表面摩擦化學磨損的發(fā)生。另外，由于單晶硅表面水分吸附與乙醇分子吸附存在競爭關系，水分子的增加會一定程度減少乙醇分子的吸