单晶硅表面摩擦诱导纳米凸结构的形成、机理及应用研究

发布时间：2020-05-10 10:00

【摘要】：纳米技术领航二十一世纪科技的发展,同时也是各国科学技术竞争的制高点。作为当今世界多数国家最优先发展的科技领域之一,纳米科技正在不断改变人们的生产和生活。微纳米加工技术是支撑纳米科技走向应用的基础。然而,器件的微型化趋势给传统的微纳加工技术带来了巨大的挑战。在改进原有加工工艺的同时,寻求新的纳米加工技术迫在眉睫。因此,开展纳米加工方面的基础研究,无论对于纳米技术的发展,还是对于我国在新一轮科技竞争中保持有利地位,都具有十分重大而深远的意义。研究发现,单晶硅表面在低载下的接触与摩擦过程中,会产生一系列的纳米凸结构。本文利用原子力显微镜,系统地研究了实验参数(气氛环境、加工载荷、循环次数、速度等)对单晶硅表面摩擦诱导纳米凸结构的影响规律；分别利用扫描X-射线微探针、俄歇纳米探针和高分辨率透射电镜分析了凸结构表面化学成分和断面微观结构,结合在石英、玻璃表面对比实验,揭示了单晶硅表面摩擦诱导纳米凸结构的产生机制；采用原位纳米力学测试系统测试了单晶硅表面纳米凸结构的机械性能,并提出了摩擦诱导纳米加工的方法。所得到的主要结论如下： (1)首次在真空环境中观测到单晶硅表面摩擦诱导纳米凸结构的形成。在原子力显微镜上,采用金刚石针尖加工并结合原位形貌扫描,首次在真空环境(5.0×10-6Torr)中观测到单晶硅表面摩擦诱导纳米凸结构的形成。与大气环境相比,真空环境更有利于单晶硅表面摩擦诱导纳米凸结构的产生。 (2)阐明了单晶硅表面摩擦诱导纳米凸结构的形成规律。单晶硅表面摩擦诱导纳米凸结构在材料发生屈服破坏前产生,载荷增加时,则会在表面形成凹槽结构；无论在真空还是大气环境中,单晶硅表面摩擦诱导纳米凸结构的高度和体积随着载荷或循环次数的增加而增加并逐渐趋于平稳,随着加工速度(10～1000μm/s)的增加而降低；单晶硅的晶面取向对凸结构的产生有显著的影响,晶面的弹性模量越高,在其表面所加工的凸结构越低；在同样的实验条件下,在疏水处理、亲水处理或覆有自组装膜的单晶硅表面所产生的凸结构均较原始硅表面低,这表明表面吸附的水膜或表面化学膜均不利于摩擦诱导纳米凸结构的形成。 (3)揭示出单晶硅表面摩擦诱导纳米凸结构的形成机制。采用X-射线微探针和俄歇纳米探针对单晶硅表面摩擦诱导纳米凸结构的化学成分分析表明,单晶硅表面摩擦诱导纳米凸结构的形成是机械作用与氧化反应共同作用的结果,但机械作用占主导；高分辨率透射电镜的分析显示凸结构主要是由表面非晶层及其下方晶格变形层构成,摩擦诱导的非晶化是单晶硅表面纳米凸结构形成的主导因素。 (4)初步建立了摩擦诱导纳米加工的方法。单晶硅和石英表面摩擦诱导纳米凸结构均具有与基体相近的机械性能,能够承受微机电系统典型的接触压力,因而可以满足微机电系统服役的需要。利用摩擦诱导的方法,通过选择合适的载荷及针尖的运行轨迹,可以在单晶硅、石英、玻璃等材料表面加工出一系列的纳米点、线、面结构,由此初步建立了摩擦诱导纳米加工方法。总之,本文基于摩擦诱导纳米凸结构的形成及原理研究,提出了一种摩擦诱导纳米加工的新方法。该方法无需模版,不需要施加电场,操作步骤简单,设备成本低廉,加工过程无污染；不仅可以直接在单晶硅、石英和玻璃等材料表面构造出纳米凸结构,而且结合溶液选择性刻蚀可以方便地加工出各种复杂的纳米结构,为纳米压印模板的加工提供了新的工艺途径。因此,本论文有关摩擦诱导纳米加工的研究,不仅丰富了纳米摩擦学的基础理论,而且有望对以扫描探针技术为基础的纳米加工方法的研究与发展产生积极推动作用。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TH117

【参考文献】