基于AFM的纳米加工深度模型及跨尺度结构加工工艺研究

发布时间：2017-05-11 08:26

第 1 章 绪 论

当前开展新型微纳米制造技术的研究是制造科学与技术发展趋势与前沿。现有的微纳米加工技术存在许多缺点，如激光加工技术的加工深度精确控制较难，聚焦离子束加工技术很难达到大范围纳米精度、LIGA 技术难于实现三维浮雕结构加工、车削加工时多轴高精度联动控制和微小刀具制作较难、微细电火花加工技术加工表面质量不高等。并且这些方法主要适合于在平面上加工微纳结构。到目前为止，现有的加工技术很难简单的实现尺度可控的、跨尺度的、纳米精度的微结构，尤其是在微小斜面或微球的回转曲面上微纳结构的加工。因此，开展在平面甚至是微小曲面上制造毫米尺度、纳米精度微米结构的新原理、新工艺、新装置的研究具有重要的科学意义。基于原子力显微镜（AFM）的纳米机械加工技术已经成功的应用于纳米加工领域，并且实现了微米尺度、纳米精度复杂三维结构的加工。实际上，AFM 系统是由一个很软的弹性微悬臂带动针尖运动实现纳米精度加工的弹性工艺系统。

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第 2 章 AFM 恒力模式下加工深度影响因素研究

2.1 引言

分子动力学仿真分析方法是研究纳米级材料去除机理的有效手段，目前分子动力学仿真研究主要集中在给定加工深度时不同加工参数如探针几何形状、刻划轨迹、进给量、切削形式以及加工深度等对切削力、沟槽形貌以及加工过程中产生位错的影响87-89]。而采用恒力模式下 AFM 纳米机械加工方面的分子动力学仿真研究还未见相关报道，对于在恒力模式下刻划单条沟槽后产生的材料位错对后续相同位置多次刻划的影响以及单晶金属的晶向对多次刻划过程中材料去除状态的影响还没有深入研究。本文中将通过分子动力学仿真的方法研究这些问题，并通过在典型单晶金属材料单晶铜表面上进行单线沟槽刻划实验对其验证。此外，在 AFM 探针机械刻划实验中，所用的 AFM 探针的形状通常为非回转对称，且 AFM 探针微悬臂的刚度系数值有一定范围，不是无限大，在刻划过程中探针微悬臂会产生弹性变形。因此，在恒力模式下不同刻划方向会对微悬臂变形量以及探针与样品之间接触面积产生一定影响，进一步导致切屑的形成和沟槽加工深度的变化。为了排除单晶金属材料晶向对材料去除的影响，本章采用通常被假设成各向同性的铝合金材料进行加工实验，详细地分析和讨论在采用 AFM 机械刻划过程中刻划方向和进给方向对材料去除状态的影响规律，包括切屑的形成机理、加工深度以及加工后形成的表面质量，得到加工一维单线和二维/三维纳米结构优化的刻划方向和进给方向。

2.2 基于 AFM 微探针纳米机械加工的原理

如图 2-1(a)所示为 AFM 系统示意图，在 AFM 纳米机械加工过程中将 AFM探针看成为一个微小的刀具对样品表面进行刻划，通常在接触模式下实现加工。AFM 探针施加在样品上恒定的垂直载荷(FN)是通过调节 AFM 扫描陶管竖直方向的位移使刻划过程中探针微悬臂变形量保持不变来实现的。AFM 探针在样品表面上施加一个相对较大的垂直载荷 FN（通常为几百纳牛到几百微牛），使被加工的样品材料产生塑性形变实现样品材料的去除，如图 2-1(b)所示，去除的材料会沿着 AFM 探针刻划方向产生堆积或形成切屑。探针施加的垂直载荷是控制加工结构深度的主要因素。因此，利用该恒力加工方法得到预期加工深度的微纳结构，需要在加工之前确定对应的垂直载荷 FN。

第 3 章 基于 AFM 纳米机械加工载荷与深度理论模型 ..... 55

3.1 引言 ..........55
3.2 加工金属材料载荷与深度理论模型的建立............56
3.3 加工聚合物材料载荷与深度理论模型的建立.........63
3.4 本章小结............68
第 4 章 AFM 纳米机械加工载荷与深度关系实验研究 ........ 69
4.1 引言 ....69
4.2 纳米刻划金属材料载荷和深度关系的实验研究 .......69
4.3 聚合物纳米加工过程中弹性回复的检测方法研究.......76
4.4 聚合物纳米沟槽载荷与加工深度关系的实验研究 ....84
4.5 本章小结..........91
第 5 章 跨尺度微纳结构加工工艺研究.. 93
5.1 引言 ...........93
5.2 毫米尺度纳米沟槽加工原理 ..................93
5.3 基于探针轨迹运动的加工工艺参数对加工沟槽的影响研究 ...................95
5.4 毫米尺度纳米通槽阵列以及阶梯结构分层加工实验 ..........103
5.5 底部带有阶梯结构纳米沟槽加工的速度匹配关系研究........105

第 6 章 微小球面上微纳结构加工及误差分析

6.1 引言

目前，有许多国家开展惯性约束聚变实验用于解决未来的能源危机，在惯性约束实验中关键部件为从直径 0.1mm 至几毫米的微球[130,131]，前人的研究表明微球表面质量如表面粗糙度和其他缺陷会导致瑞利−泰勒流体力学不稳定性的发生，从而使惯性约束聚变实验失败。然而微球表面的缺陷是随机的，为了研究瑞利−泰勒流体力学不稳定性的发生条件，需要得到具有可控缺陷的微球。有些学者提出在微球表面加工纳米结构，这些微球表面的纳米结构可以模拟微球上不同尺寸和形状的缺陷。有学者利用激光加工的方法在微球表面随机加工出不同深度的微坑132]，该研究揭示了在微球表面上加工微纳结构是研究瑞利−泰勒流体力学不稳定性的有效途径，然而利用激光方法加工微纳结构的深度不易控制且在微球上的加工位置较为随机。同时，，微球的尺寸很小，并且通常微球是空心的，壁厚小于 1.2μm，在其表面用现有的加工方法较难得到复杂、规则以及尺寸可控的微纳结构。因此，本文提出利用 AFM 纳米机械加工的方法在微球表面加工微纳结构。

6.2 基于 AFM 的五轴纳米机械加工装置

如图 6-2所示为采用 AFM探针在微球表面加工微纳米结构的原理示意图。图 6-2(a)表示 AFM 探针以垂直载荷 FN作用到微球表面上，通过几种探针与微球表面的相对运动实现微纳结构的加工，包括轴系以 n 为转速进行的旋转运动，探针在扫描陶管带动下做的往复直线运动加工连续微纳结构；以及微球旋转一定角度后保持静止，探针做二维扫描运动加工方坑等结构。本文中利用上述两种方式在微球表面上加工环形沟槽结构、微纳米方坑阵列结构、圆形凹坑阵列结构以及三角形凹坑阵列结构。图 6-2(b)为微球局部放大图示意图，没有按实际比例作图。
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结 论

基于 AFM 纳米机械加工技术是一种简单、可行的纳米加工方法，由于其具有纳米级的加工精度和只需要大气的加工环境得到越来越多学者的关注。然而，应用这种加工技术对样品进行纳米级材料去除机理还不明确，加工结构的深度还不能精确控制，并且加工跨尺度微纳结构的工艺方法还有待研究。因此，本文采用分子动力学仿真分析、载荷与加工深度之间的理论模型建立以及基于AFM 纳米机械加工实验方法，开展了基于 AFM 纳米机械加工过程中材料去除机理、加工深度可控的微纳米结构以及加工跨尺度微纳结构新工艺方法等相关问题的研究。本文完成的主要研究工作如下：1. 建立了恒力模式下的分子动力学仿真模型，通过分子动力学的理论方法得出在恒力模式下多次刻划单晶铜材料时材料去除规律。发现多次刻划中材料的塑性变形是由前一次刻划中存在的位错移动所导致的，并且得到了多次刻划中样品材料刻划后样品内部可能产生了硬化现象的结论，为后续的刻划实验提供一定的理论基础。同时发现所刻划沟槽两侧的材料堆积对材料的晶向有很大的依赖性，利用三棱锥探针刻划时，对于在(100)和(110)单晶铜晶面上得到的沟槽其材料堆积均集中在沟槽的左侧，而在(111)单晶铜晶面上得到沟槽的材料堆积均匀的分布在沟槽两侧，并且通过刻划实验对所得结论进行了验证。

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参考文献（略）

本文编号：356831