發(fā)布時(shí)間：2020-07-19 07:08

【摘要】：基于原子力顯微鏡(AFM)的納米加工技術(shù),因其具有加工步驟簡(jiǎn)單,加工材料多樣化,并且可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)圖案化的原位成像表征等優(yōu)點(diǎn),被廣泛作為一種新的納米加工方法進(jìn)行研究。但是基于AFM輕敲模式下的加工機(jī)理尚不明確,無(wú)法實(shí)現(xiàn)深度可控的納米結(jié)構(gòu)的加工,并且工藝參數(shù)尚需要摸索。因此針對(duì)上述問(wèn)題,本文開(kāi)展了輕敲模式下的加工工藝的實(shí)驗(yàn)研究,主要工作包括:首先,研究輕敲模式下加工溝槽的形成過(guò)程,將高頻振動(dòng)的探針持續(xù)加工過(guò)程離散化,采用納米壓痕的方法,通過(guò)單點(diǎn)恒定深度多次壓痕實(shí)驗(yàn),研究壓痕深度與壓入次數(shù)的關(guān)系,得出隨著壓痕次數(shù)的增加壓痕深度逐漸增大;通過(guò)對(duì)比已加工表面和未加工表面的表面性質(zhì)的變化,以及已加工表面的表面性質(zhì)與敲擊次數(shù)的關(guān)系,得到了加工過(guò)程中的材料變形規(guī)律,明確了輕敲模式下溝槽的形成過(guò)程,即樣品表面在首次壓入后發(fā)生塑性變形,隨著敲擊次數(shù)的增加,彈性回復(fù)區(qū)域發(fā)生不可恢復(fù)形變,溝槽的深度逐漸增加。其次,AFM輕敲模式下在PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)上進(jìn)行納米溝槽的加工,研究了加工方向、加工速度和Z向位移等參數(shù)對(duì)于加工溝槽形貌的影響,得出溝槽深度受加工速度的影響最大;通過(guò)控制加工速度在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了可控深度的納米溝槽的加工,建立了加工深度模型,并進(jìn)行了驗(yàn)證。最后,實(shí)現(xiàn)了AFM輕敲模式下簡(jiǎn)單三維結(jié)構(gòu)納米方坑的加工,并研究了加工方向、加工速度、進(jìn)給量和Z向位移等參數(shù)對(duì)于方坑結(jié)構(gòu)底部表面質(zhì)量的影響,得出進(jìn)給量的影響力最大;采用正交實(shí)驗(yàn)法,運(yùn)用極差法和方差分析法確定各工藝參數(shù)對(duì)方坑底部粗糙度的顯著性和最優(yōu)的工藝參數(shù)組合;利用MATLAB編程軟件對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行三元二次多項(xiàng)式回歸,得到方坑底部粗糙度與加工參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH16
【圖文】：

1.1 課題研究背景與意義隨著納米技術(shù)的發(fā)展，帶有納米精度的復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)功能表面的零件如微衍射光柵、微透鏡陣列、菲涅耳透鏡等，如圖 1-1 所示，由于具有不同于傳統(tǒng)零件的粘附性能、摩擦性能、親疏水和光學(xué)性能等，得到了廣泛的應(yīng)用。這也對(duì)微納米加工技術(shù)提出了更高的要求。目前微納加工技術(shù)[3]主要包括平面工藝、模型工藝和探針工藝[4, 5]三類。平面工藝通過(guò)顯影技術(shù)和刻蝕技術(shù)將感光層的二維圖案轉(zhuǎn)移到基片上，但是較難獲得三維微納結(jié)構(gòu)，并且加工設(shè)備復(fù)雜、昂貴[6]。模型工藝是利用微納米尺寸的模具[7]復(fù)制出相應(yīng)的微納結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)，但其模具的制造工藝復(fù)雜，精度要求高，僅適合大批量生產(chǎn)。探針工藝是用各種微納米尺寸的探針取代傳統(tǒng)的機(jī)械切削刀具。探針即包括通過(guò)聚焦離子束和電子束得到小于 10nm 的束直徑的非固態(tài)探針，也包括掃描隧道顯微鏡（SPM），原子力顯微鏡（AFM）的固態(tài)探針。對(duì)于非固態(tài)形式的探針，存在加工環(huán)境高、加工設(shè)備復(fù)雜、昂貴等缺點(diǎn)，相比之下，固態(tài)探針工藝更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

針對(duì)輕敲模式下的加工研究則相對(duì)較少，因此本究輕敲模式下的在 PMMA 表面納米結(jié)構(gòu)的加工及其M 輕敲模式下的國(guó)外研究現(xiàn)狀 的輕敲模式下的加工，國(guó)外學(xué)者更早進(jìn)行了研究。hi 學(xué)者[28]，使用單晶硅涂層探針，在輕敲模式下通過(guò)速度，實(shí)現(xiàn)了在聚碳酸酯（PC）表面矩形區(qū)域的加為掃描振幅的 1.2~1.5 倍時(shí)，加工區(qū)域呈現(xiàn)平坦的凸幅的 1.8 倍時(shí)，加工區(qū)域呈現(xiàn)凹陷結(jié)構(gòu)，且底部平坦小而逐漸增大。作者認(rèn)為出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：表面間的作用力增大，針尖刺入樣品表面，從而形結(jié)構(gòu)；而當(dāng)振幅較小時(shí)，針尖與樣品表面分離時(shí)，域形成的凸起結(jié)構(gòu)。

圖 1-4 單晶硅表面的溝槽陣列[29]Sturm 等人[30]基于 AFM 輕敲模式下在聚合物 P）表面進(jìn)行了納米方坑結(jié)構(gòu)的加工，并且與納米式下的加工效率更高，成本更低。作者通過(guò)對(duì)已加工區(qū)域表面的硬度和剛度均發(fā)生了變化。其量，發(fā)現(xiàn)凸起的體積要大于凹坑的體積，如圖 1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2762097