硅微结构表面摩擦特性的分子动力学研究

发布时间：2020-03-07 15:50

【摘要】：随着纳米技术的进步和社会需求的增加,器件微型化成为不可避免的趋势。器件微型化导致比表面积增大,表面效应显著增强,使得粘附力、摩擦力等表面力成为影响器件性能和使用寿命的关键因素。而对器件表面构筑微结构,是解决这一问题的有效方法之一。研究微纳尺度下微结构表面的摩擦行为,有助于深化人们对表面摩擦原理的理解,而且对微纳米器件的制造和发展有一定的指导意义。本文采用分子动力学方法建立纳米尺度下硅基底表面干摩擦模型,构建条纹状、网格状、凹坑状3种微结构表面,研究微结构形状、尺寸对摩擦的影响。研究结果表明,表面微结构可以显著降低探针与硅基底表面之间的滑动摩擦力,其中网格状微结构表面减摩能力最好,其次为条纹状微结构表面,凹坑状微结构表面减摩能力最弱。凹坑状、条纹状微结构表面的摩擦力随宽度尺寸的增加而增加,网格状微结构表面的摩擦力受宽度尺寸的影响较小。三种微结构表面的摩擦力均随深度尺寸的增加而减小。本文还用分子动力学方法建立了水环境下探针在硅基底表面滑动的摩擦模型,讨论水分子层厚度、微结构形状、尺寸以及表面各向异性对湿摩擦的影响。研究结果表明,基底表面水分子层会增大表面摩擦力,且摩擦力随水分子层数量的增加先增加而后略有下降。微结构表面可以明显削弱水分子对探针的粘附,不同形状的微结构表面的探针与水分子分离时的运动距离随微结构宽度尺寸的变化不同,但均随深度尺寸的增加而减小。对于条纹状微结构表面,湿摩擦状态下,垂直条纹表面的摩擦力小于平行条纹表面的摩擦力;而在干摩擦状态下,垂直条纹表面的摩擦力大于平行条纹表面的摩擦力。
【图文】：

表面微结构,微观尺度,摩擦特性,微结构

的创新来源。这些结构通常从分子尺度，到微纳米级尺度，，最后形成宏观结构，具有高逡逑度的层次性。例如，荷叶表面具有优异的自清洁功能，经研究发现在显微镜下荷叶的表逡逑面存在阵列微小凸起，如图１－１邋（ａ），这些微纳凸起使得水滴只能接触到凸起微结构的逡逑顶端，而无法使荷叶表面完全浸润，从而具有超疏水性ｗ。鲨鱼表皮排列着大量的盾鳞逡逑结构［６］，如图１－１邋（ｃ）所示，这些盾淲结构顺水流方向，可以使表层周围的涡流层转变逡逑为小阻力的层流层，进而有效地降低鲨鱼游动时水流所带来的阻力。游泳运动员所穿着逡逑的泳衣上面的褶皱就是模仿鲨鱼表皮结构的设计结果，褶皱的存在可以减小水流对运动逡逑员的阻力。壁虎能够在垂直的墙壁上以及天花板上自由地行动，这主要得益于壁虎脚底逡逑面上分级的刚毛结构，如图１－１邋（ｂ）所示，壁虎可以依靠这些的刚毛结构的范德华力吸逡逑附在墙壁上乃至光滑的玻璃表面［７】。水黾腿部的微纳米级多层结构能够将空气有效地吸逡逑附在多层微结构的空隙中

条纹,光刻技术,凸台,微结构

光刻技术利用蚀刻工艺将图案转移到基底上ｌ２Ｇ］。光刻技术利用照射源和光敏聚合物逡逑材料，在抗敏的抗蚀图层上发生光化学反应，即改变曝光区域的物理和化学性质，根据逡逑图案将特定部分去除。如图１－２为光刻技术制造的方形凸台和条纹微结构表面。逡逑图１－２光刻技术得到的方形凸台和条纹微结构表面逡逑电化学法包含电化学沉积、原电池反应、电化学聚合、阳极氧化等｜２２］。其中，电化逡逑学沉积法通过对电解参数的控制，制取不同形状、不同组合、不同粒度及分布的纳米材逡逑料，常用于合成具有纳米结构的纯金属、合金、纳米薄膜等材料。逡逑气相沉积法根据有无发生化学反应分为两种，一是化学气相沉积法（ＣＶＤ），二是逡逑物理气相沉积法（ＰＶＤ）。材料气化或气态物质通过凝结、化学反应或转化沉积于固体材逡逑料表面并形成固态沉积物。此方法可以改变材料的机械、电、热、光学、耐磨腐蚀性以逡逑及耐磨性［２３１。逡逑溶胶－凝胶法的工作原理是利用水解反应，将散在溶剂中的原料制成活性单体并聚逡逑合，然后形成溶胶，进一步生成具有空间结构的凝胶。最后对凝胶进行干燥、热处理固逡逑化制备出具有纳米结构的材料制备有机－无机结构材料时常用的方法就是溶胶－凝胶逡逑法。逡逑等离子处理技术的原理是借助于等离子体与待处理表面之间的相互作用，使得表面逡逑形成新的官能团
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O613.72;TH117.1

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