基于压电驱动微探针诱导有序褶皱形成的机理研究

发布时间：2020-06-29 09:41

【摘要】：随着微纳加工制造技术的进步,微电子机械系统(MEMS)的设计与制造逐渐向纳米尺度发展,因此对构成MEMS的微型结构和微型器件的性能与可靠性提出了更高的要求。在众多的微型结构和微型器件(如微齿轮、微传感器和微流控芯片等)制造中,采用薄膜和衬底的多层结构制作微纳结构与器件是一个重要研究方向,因此这类结构或器件的性能与可靠性依赖于薄膜和衬底两者的物理和化学性质。而柔性衬底上刚性薄膜结构的力学不稳定性通常会引起微观起皱现象,对于那些自发形成的无规律不可控的褶皱模式,往往会导致微纳结构或者器件的功能失效,而对于那些可控的有序褶皱模式,对提高微纳结构或者器件的性能起着重要的作用。因此,研究薄膜与衬底间的相互作用导致的微观形貌变化(如起皱或断裂)对提高微纳结构与器件的性能具有重要的科学意义。本论文提出了一种基于压电驱动微探针诱导金属薄膜/柔性衬底局部起皱的方法,通过精确地控制探针的位移可实时的调节薄膜局部的压缩应力场,进而可以实现薄膜起皱形态的实时调控。论文详细研究了金属薄膜/柔性衬底在面外压痕和面内位移下射线状褶皱和环形褶皱的形成机理和动态演化过程,主要研究工作和创新点如下:1.详细分析了国内外关于金属薄膜局部化起皱现象的研究现状,包括金属薄膜/柔性衬底和金属薄膜/粘性衬底的起皱现象、不同褶皱模式的控制方法以及起皱形态的调节机理。提出了本论文的研究目的和内容。2.根据柔性衬底上刚性薄膜的起皱和断裂机理,分析了热应力作用下金(Au)膜/PDMS(聚二甲基硅氧烷,Polydimethylsiloxane)衬底上褶皱和裂纹的形成与演化,阐述了刚性薄膜/柔性衬底局部有序褶皱模式的形成机理,实验结果展示了表面缺陷可以改变薄膜局部压缩应力状态,进而改变薄膜局部起皱形态。3.提出了一种基于压电驱动微探针诱导金属薄膜/柔性衬底局部起皱的方法,搭建了一套基于压电驱动微探针形成局部褶皱结构的实验装置,通过精确的控制探针的位移对初始光滑的Au膜/PDMS衬底施加连续的面外压痕和面内位移,诱导了薄膜局部的起皱和断裂,实现了褶皱和裂纹的形成与形态演化的实时可控,通过光学显微镜实时监控薄膜表面形态的演变,实现了褶皱演变的原位监测。详细研究了面外压痕和面内位移下局部化褶皱和裂纹的形成机理、形态特征和演化规律,为制造实时可控的局部化褶皱和裂纹模式提供了实验依据。4.通过控制单探针对初始起皱的Au膜/PDMS衬底施加面外压痕和面内位移,实现了局部褶皱的形态转变。实验结果表明:在面外压痕下,局部褶皱将演化为射线状模式;在面内位移下,局部褶皱将演化为环形模式。通过控制探针的位移大小和加载方向可以调节褶皱的转变程度与形态。实验方法和结果对调控微纳结构、微纳器件和工程材料中一些不理想的起皱形态具有一定的指导意义和工程应用价值。5.通过控制双探针对初始起皱的Au膜/PDMS衬底施加面外压痕,调控了局部褶皱形态的转变,揭示了探针间薄膜表面褶皱形态有序化的物理机理。实验结果表明,褶皱形态的转变程度与探针间距以及压痕深度有关,探针间距越小并且压痕深度越大,褶皱形态的转变程度越大,褶皱更加有序。实验结果对多探针诱导刚性薄膜/柔性衬底形成大面积高度有序的褶皱结构具有重要的指导意义。
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2
【图文】：

长程有序,实验原理,褶皱

士学位论文基于压电驱动微探针诱导有序褶塞大学的 Rand 等人[13]通过对 UVO（紫外线臭氧）处理后的裂过程，然后利用乙醇溶剂分子溶胀 PDMS 衬底获得了长如图 1.4(c)所示。实验结果表明，未经断裂的 PDMS 改性模式，如图 1.4(a)所示，而经过断裂的改性层倾向于形成垂直于断裂线并被约束在相邻的断裂线之间，如图 1.4(b)改变了 PDMS 衬底上表面改性层的压缩应力状态，从而改法及结果表明，通过在柔性衬底或者刚性薄膜上引入规律的褶皱模式，然后通过有效地控制薄膜或者衬底表面的断。

形态图,硅油,金属薄膜,起皱

图 1.11 硅油线上的金属薄膜起皱形态由于高能金属粒子的轰击，薄膜在沉积过程中会改变衬膜与衬底之间产生一层较薄的改性层，进而改变薄膜的由于金属粒子的轰击会被钢化成一层刚性膜，而对于粘性膜。当衬底的厚度非常大并且超过薄膜厚度的几个数影响较小。如果衬底的厚度非常小甚至达到几百纳米，透整个衬底，并且导致衬底被完全改性，因此衬底的厚计量大学的 Yu 等人[94]发现当 Fe 膜沉积在有限厚的硅褶皱模式。当硅油滴的直径较小时，薄膜倾向于形成一图 1.12(a)和(b)所示。随着油滴直径的增加，薄膜逐渐g)所示。当硅油滴的直径达到一个临界值，裂纹开始出，控制硅油滴的厚度与直径可以调节褶皱的形成和形

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