單晶硅表面摩擦誘導(dǎo)納米凸結(jié)構(gòu)的形成、機理及應(yīng)用研究.pdf

1、納米技術(shù)領(lǐng)航二十一世紀(jì)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(jìn)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(yuǎn)的意義

2、。
　　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

3、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)

4、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

5、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

6、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