AFM轻敲模式下机械加工工艺研究

发布时间：2020-07-19 07:08

【摘要】：基于原子力显微镜(AFM)的纳米加工技术,因其具有加工步骤简单,加工材料多样化,并且可实现纳米级图案化的原位成像表征等优点,被广泛作为一种新的纳米加工方法进行研究。但是基于AFM轻敲模式下的加工机理尚不明确,无法实现深度可控的纳米结构的加工,并且工艺参数尚需要摸索。因此针对上述问题,本文开展了轻敲模式下的加工工艺的实验研究,主要工作包括:首先,研究轻敲模式下加工沟槽的形成过程,将高频振动的探针持续加工过程离散化,采用纳米压痕的方法,通过单点恒定深度多次压痕实验,研究压痕深度与压入次数的关系,得出随着压痕次数的增加压痕深度逐渐增大;通过对比已加工表面和未加工表面的表面性质的变化,以及已加工表面的表面性质与敲击次数的关系,得到了加工过程中的材料变形规律,明确了轻敲模式下沟槽的形成过程,即样品表面在首次压入后发生塑性变形,随着敲击次数的增加,弹性回复区域发生不可恢复形变,沟槽的深度逐渐增加。其次,AFM轻敲模式下在PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)上进行纳米沟槽的加工,研究了加工方向、加工速度和Z向位移等参数对于加工沟槽形貌的影响,得出沟槽深度受加工速度的影响最大;通过控制加工速度在一定范围内实现了可控深度的纳米沟槽的加工,建立了加工深度模型,并进行了验证。最后,实现了AFM轻敲模式下简单三维结构纳米方坑的加工,并研究了加工方向、加工速度、进给量和Z向位移等参数对于方坑结构底部表面质量的影响,得出进给量的影响力最大;采用正交实验法,运用极差法和方差分析法确定各工艺参数对方坑底部粗糙度的显著性和最优的工艺参数组合;利用MATLAB编程软件对正交实验结果进行三元二次多项式回归,得到方坑底部粗糙度与加工参数的经验模型,并进行了实验验证。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH16
【图文】：

二维图,探针,微纳米,固态

1.1 课题研究背景与意义随着纳米技术的发展，带有纳米精度的复杂微纳结构功能表面的零件如微衍射光栅、微透镜阵列、菲涅耳透镜等，如图 1-1 所示，由于具有不同于传统零件的粘附性能、摩擦性能、亲疏水和光学性能等，得到了广泛的应用。这也对微纳米加工技术提出了更高的要求。目前微纳加工技术[3]主要包括平面工艺、模型工艺和探针工艺[4, 5]三类。平面工艺通过显影技术和刻蚀技术将感光层的二维图案转移到基片上，但是较难获得三维微纳结构，并且加工设备复杂、昂贵[6]。模型工艺是利用微纳米尺寸的模具[7]复制出相应的微纳结构的加工技术，但其模具的制造工艺复杂，精度要求高，仅适合大批量生产。探针工艺是用各种微纳米尺寸的探针取代传统的机械切削刀具。探针即包括通过聚焦离子束和电子束得到小于 10nm 的束直径的非固态探针，也包括扫描隧道显微镜（SPM），原子力显微镜（AFM）的固态探针。对于非固态形式的探针，存在加工环境高、加工设备复杂、昂贵等缺点，相比之下，固态探针工艺更加经济实用。

加工区域,振动幅度,针尖,轻敲模式

针对轻敲模式下的加工研究则相对较少，因此本究轻敲模式下的在 PMMA 表面纳米结构的加工及其M 轻敲模式下的国外研究现状的轻敲模式下的加工，国外学者更早进行了研究。hi 学者[28]，使用单晶硅涂层探针，在轻敲模式下通过速度，实现了在聚碳酸酯（PC）表面矩形区域的加为扫描振幅的 1.2~1.5 倍时，加工区域呈现平坦的凸幅的 1.8 倍时，加工区域呈现凹陷结构，且底部平坦小而逐渐增大。作者认为出现这种现象的原因是：表面间的作用力增大，针尖刺入样品表面，从而形结构；而当振幅较小时，针尖与样品表面分离时，域形成的凸起结构。

单晶硅表面,沟槽,阵列

图 1-4 单晶硅表面的沟槽阵列[29]Sturm 等人[30]基于 AFM 轻敲模式下在聚合物 P）表面进行了纳米方坑结构的加工，并且与纳米式下的加工效率更高，成本更低。作者通过对已加工区域表面的硬度和刚度均发生了变化。其量，发现凸起的体积要大于凹坑的体积，如图 1

【参考文献】