基于纳米压痕的有序微纳结构制备研究

发布时间：2020-04-02 11:11

【摘要】：材料表面的有序微纳结构可以有效的改变或提升表面性能,因而其在许多领域具有广泛的应用,例如改变光学元件的光学特性;改善机械零件的耐磨性等。研究人员已经开发了光刻技术、电子束刻蚀技术和纳米压印技术等多种有序微纳结构的制备技术。然而光刻技术分辨率受波长限制,制备过程复杂,设备成本昂贵;电子束刻蚀技术制备效率低,且无法大面积制备;纳米压印技术中必要的刚性模板难以制造。这些缺点使得它们的应用受到极大的限制。纳米压痕技术作为一种在微纳尺度测量材料力学性能的测试手段广为人知,极大的促进了材料学的发展。本文将纳米压痕技术作为一种新型微纳加工技术进行有序微纳结构的制备。主要开展的研究工作如下:首先,研制一套具有纳米压痕加工能力和力伺服功能的微探针力伺服加工模块,并基于该模块搭建一套三维微纳加工平台。该模块以金刚石探针为刀具,以压电陶瓷换能器(PZT)为执行机构,以柔性铰链机构为力敏感元件,配合高精度位移传感器,可以实现对探针与工件表面法向力的闭环控制和探针实时压入深度的读取。并对微探针力伺服加工模块的指标参数和三维微纳加工平台的加工能力进行测试。其次,采用有限元仿真方法对基于纳米压痕的有序微纳结构加工机理进行研究。建立模拟压痕加工的三维有限元仿真模型,对不同探针,不同载荷的单点压痕进行有限元仿真,并验证有限元仿真模型的合理性。进行多点压痕的有限元仿真,探究压痕间距、压痕角度等因素对基于纳米压痕的有序微纳结构的影响。最后,进行基于纳米压痕的有序微纳结构加工工艺研究。采用Vickers、Berkovich和Conical探针加工不同角度、不同间距的单列压痕和压痕阵列以形成有序微纳结构,探究这些参数对有序微纳结构的影响。并对成功制备的基于纳米压痕的有序微纳结构的拉曼增强性能进行研究,以罗丹明分子拉曼光谱的增强因子表征其增强性能。
【图文】：

阵列,示意图,图案化,掩模版

工艺将光刻胶上的图形转移到基片上，从而在基片表面生成微纳结术可大批量制备图案化结构，其结构分辨率受到所用曝光光源的极长越短，结构分辨率越小。而通过缩短波长、采用准分子激光光源光路等对光源、光路的改进，结合其他新的工艺方法，可以进一步构分辨率，甚至小于 10nm[6]。刻加工得到的结构由掩模版上的图案转移而来，而掩模版上的图案的，所以光刻能够加工出多种多样的结构，从而在集成电子元件、件等诸多领域[7-9]具有广泛应用。Revzin[10]等人采用光刻法将玻璃上二醇）-二丙烯酸酯（PEG-DA）图案化，成功制备了高密度的微米微阱阵列，如图 1-1b)。由于 PEG 的生物惰性，PEG 微阱阵列可以细胞或蛋白质驱避特性的高度有序的生物界面，已经证明可以非常化的 3T3 纤维细胞和原代大鼠肝细胞粘附到玻璃基板上。Campbe一种新的光刻技术——三维全息光刻，该技术非常适合于生产具有的三维结构。研究人员利用这种技术，成功制备了微周期聚合物阵-1c)，并且使用这些作为模板来创建具有更高折射率的结构。

电子束刻蚀,负折射率,顶帽

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文应的图案。加工过程不需要掩模版，所以工艺更简单。通过降低电子波电子束刻蚀技术已经可以构建特征尺寸小于 10nm 的精细图案[14 ]，并可宽在 5-7nm 的周期性线条图案的制备[15]。电子束刻蚀技术具有两大优点：纳米级线宽分辨率和任意形状图案，采制备的各种新型的微纳阵列结构，可应用于非线性光学、负折射率材料Shaoli Zhu[16]等人利用电子束刻蚀技术制造了具有“顶帽”的五角星形金阵列，如图 1-2b)，，具有约 50nm 的半径和约 40nm 的标称高度。反射光到“顶帽”形状的影响，纳米阵列的光学性质表明它们在等离子体纳米器上具有潜在应用。Linden[17]等人利用电子束光刻制备了非磁性金属开，如图 1-2c)所示，实验表明其可以用于实现在 100 赫兹频率下由电感电LC）谐振产生的磁共振。额外的数值模拟表明，该结构对于其中磁场耦谐振的束配置呈现出具有负磁导率的频率范围。与具有负介电常数的电，可能导致具有负折射率的材料。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1

【参考文献】