基于掃描探針顯微鏡的納米加工相關理論及技術研究.pdf

1、納米技術是當代科學發(fā)展的一個新興領域，它的最終目標就是在納米尺度上制造出具有特定功能的產品。納米技術的核心是納米加工技術。納米加工技術水平的提高將對微型機械、信息存儲、微電子技術、生物科學等技術領域產生巨大的影響。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，在納米加工技術的發(fā)展中占有極其重要的地位。
　　納米加工機理是納米加工技術研究的重要內容。目前基于SPM的納米

2、加工技術雖已能實現(xiàn)納米級厚度的材料去除，得到具有納米級加工精度的被加工表面，但是對納米加工過程機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，SPM針尖-樣品相互作用區(qū)域存在的量子效應不能被忽略，繼續(xù)使用宏觀經典理論來描述加工過程中的微觀機理已不再合適，必須依靠量子物理學等理論來研究加工過程中的相互作用，進而深入描述納米加工過程中的微觀物理機制。此外，對于切削過程中的材料變形和剝離機理、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到的精度和納米切削機理，如切屑的去除機理和加工表面的形成機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理研究的不足，采用密度泛函理論的第一性原理計算研究納米加工表面形成過程中的內部微觀輸運機制，進一步揭示納米加工過程的本質和基本規(guī)律。在此基礎上，利用掃描探針顯微鏡等納米加工設備進行了納米級加工實驗。研究結果對納米加工過程的微觀機理做出新的解釋，為現(xiàn)有的納米加工技術方法提供理

4、論解釋，并為進一步探索新的納米加工技術手段提供理論依據，具體研究內容包括如下幾個方面：
　　為了從原子尺度研究納米加工過程的本質，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上，結合密度泛函理論的第一性原理計算，在納米加工機理中考慮了量子效應的影響，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制進行了研究，揭示了SPM納米加工過程的本質和基本規(guī)律，為今后的實驗

5、奠定了理論基礎。
　　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行了納米級結構的微細加工，研究了大氣狀態(tài)下STM納米加工時探針與試件表面間的相互作用機理，分析了脈沖個數(shù)、電流反饋環(huán)的開關、隧道間隙等參數(shù)在SPM電場加工中的作用機制。
　　為了研究納米級材料去除過程，本文應用AFM和納米壓痕儀（Nanoindenter）進行了材料的納米刻

6、劃實驗，分析了材料從彈性變形到塑性變形的過程，得出了劃痕產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上，重點探討了加載速率、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構穩(wěn)定性進行了實驗研究。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械刻劃作用，從發(fā)

7、生彈性變形、進而發(fā)生塑性變形，最終導致斷裂的過程，給出了碳納米管徑向斷裂的臨界載荷值，為碳納米管力學性能研究提供了一種實驗研究的方法，拓寬了掃描探針顯微技術在納米技術研究中的應用范圍。
　　在系統(tǒng)地研究了基于SPM的納米刻劃過程的基礎上，應用AFM金剛石針尖對金屬材料進行了納米級凹坑的加工試驗，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、橫向進給量、加工