【摘要】：納米技術領航二十一世紀科技的發(fā)展,同時也是各國科學技術競爭的制高點。作為當今世界多數國家最優(yōu)先發(fā)展的科技領域之一,納米科技正在不斷改變人們的生產和生活。微納米加工技術是支撐納米科技走向應用的基礎。然而,器件的微型化趨勢給傳統的微納加工技術帶來了巨大的挑戰(zhàn)。在改進原有加工工藝的同時,尋求新的納米加工技術迫在眉睫。因此,開展納米加工方面的基礎研究,無論對于納米技術的發(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,單晶硅表面在低載下的接觸與摩擦過程中,會產生一系列的納米凸結構。本文利用原子力顯微鏡,系統地研究了實驗參數(氣氛環(huán)境、加工載荷、循環(huán)次數、速度等)對單晶硅表面摩擦誘導納米凸結構的影響規(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構表面化學成分和斷面微觀結構,結合在石英、玻璃表面對比實驗,揭示了單晶硅表面摩擦誘導納米凸結構的產生機制；采用原位納米力學測試系統測試了單晶硅表面納米凸結構的機械性能,并提出了摩擦誘導納米加工的方法。所得到的主要結論如下： (1)首次在真空環(huán)境中觀測到單晶硅表面摩擦誘導納米凸結構的形成。在原子力顯微鏡上,采用金剛石針尖加工并結合原位形貌掃描,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納米凸結構的形成。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納米凸結構的產生。 (2)闡明了單晶硅表面摩擦誘導納米凸結構的形成規(guī)律。單晶硅表面摩擦誘導納米凸結構在材料發(fā)生屈服破壞前產生,載荷增加時,則會在表面形成凹槽結構；無論在真空還是大氣環(huán)境中,單晶硅表面摩擦誘導納米凸結構的高度和體積隨著載荷或循環(huán)次數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；單晶硅的晶面取向對凸結構的產生有顯著的影響,晶面的彈性模量越高,在其表面所加工的凸結構越低；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生的凸結構均較原始硅表面低,這表明表面吸附的水膜或表面化學膜均不利于摩擦誘導納米凸結構的形成。 (3)揭示出單晶硅表面摩擦誘導納米凸結構的形成機制。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納米凸結構的化學成分分析表明,單晶硅表面摩擦誘導納米凸結構的形成是機械作用與氧化反應共同作用的結果,但機械作用占主導；高分辨率透射電鏡的分析顯示凸結構主要是由表面非晶層及其下方晶格變形層構成,摩擦誘導的非晶化是單晶硅表面納米凸結構形成的主導因素。 (4)初步建立了摩擦誘導納米加工的方法。單晶硅和石英表面摩擦誘導納米凸結構均具有與基體相近的機械性能,能夠承受微機電系統典型的接觸壓力,因而可以滿足微機電系統服役的需要。利用摩擦誘導的方法,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、面結構,由此初步建立了摩擦誘導納米加工方法。 總之,本文基于摩擦誘導納米凸結構的形成及原理研究,提出了一種摩擦誘導納米加工的新方法。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造出納米凸結構,而且結合溶液選擇性刻蝕可以方便地加工出各種復雜的納米結構,為納米壓印模板的加工提供了新的工藝途徑。因此,本論文有關摩擦誘導納米加工的研究,不僅豐富了納米摩擦學的基礎理論,而且有望對以掃描探針技術為基礎的納米加工方法的研究與發(fā)展產生積極推動作用。
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TH117

【參考文獻】

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本文編號：2657130