作者姓名：閆永達(dá)
　　論文題目：基于AFM的納米加工機理及相關(guān)工藝技術(shù)研究
　　作者簡介：閆永達(dá)，男，1976年10月出生，2001年9月師從于哈爾濱工業(yè)大學(xué)董申教授，于2007年4月獲博士學(xué)位。

　　中文摘要
上世紀(jì)80年代隨著掃描探針顯微鏡(Scanning?Probe?Microscope,?SPM)的發(fā)明與發(fā)展，使人類能夠直接觀察物質(zhì)表面上原子和分子結(jié)構(gòu)，推動納米技術(shù)在各學(xué)科領(lǐng)域研究的迅速發(fā)展，形成了新興學(xué)科——納米科學(xué)與技術(shù)。它將成為21世紀(jì)新技術(shù)革命的中心，它的應(yīng)用將最終滲透到各個工業(yè)領(lǐng)域，并引發(fā)人類新的工業(yè)革命。
納米加工技術(shù)是納米科技重要的分支之一，目前已有很多納米加工方法，但都難以滿足納米尺度分辨率和納米級加工表面質(zhì)量的復(fù)雜三維納米結(jié)構(gòu)的加工要求。近年來，基于SPM探針與表面的不同相互作用，人們將它轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N改造世界的手段。其中，采用原子力顯微鏡(Atomic?Force?Microscope,?AFM)金剛石針尖的納米機械刻劃技術(shù)，能夠模擬傳統(tǒng)的金剛石刀具的切削過程，去除數(shù)個納米厚度的材料，顯示了極高的加工能力，是一種十分有發(fā)展?jié)摿Φ募{米加工方法。然而它還是一種新興的技術(shù)，在納米尺度去除材料的機理及將AFM系統(tǒng)作為加工設(shè)備和加工方法的特殊性等相關(guān)問題還有待深入研究，導(dǎo)致到目前為止，采用該方法很難加工出復(fù)雜三維高精度的微納尺度結(jié)構(gòu)。
因此本文建立一套基于AFM及高精度工作臺的新型納米加工系統(tǒng)，從理論和實驗兩方面較系統(tǒng)的研究了AFM探針納米機械刻劃加工技術(shù)，使機械去除方法的加工精度從微米量級延伸到納米尺度，并使該技術(shù)成功地應(yīng)用到工程實踐中。具體研究內(nèi)容包括如下幾個方面：
一、建立了基于AFM的新型納米加工系統(tǒng)，開展了相應(yīng)加工工藝的研究
該系統(tǒng)是由原子力顯微鏡(AFM)及高精度三維工作臺組成，可采用機械刻劃和陽極氧化方式加工復(fù)雜的微納結(jié)構(gòu)，其加工范圍僅取決于工作臺移動范圍(100μm×100μm)，加工分辨率可達(dá)幾納米。并可通過更換探針的方法，進一步改變其加工方式。
在該裝置上系統(tǒng)地研究了加工工藝參數(shù)(刻劃速度、刻劃深度、進給量、刻劃方向等)對刻劃力、加工表面粗糙度、加工結(jié)構(gòu)深度等的影響規(guī)律及機制。得到如下結(jié)論：
(1)?刻劃速度對加工結(jié)構(gòu)的表面粗糙度、深度以及加工過程中的刻劃力影響不大。
(2)?刻劃深度增大，表面粗糙度增大，刻劃力增大。
(3)?進給量的影響規(guī)律：隨著進給量的增加，水平方向的刻劃力增大；當(dāng)進給量大于某個值(這個值與探針形狀有關(guān)，本文中120nm左右)，三方向力趨于飽和；沿著微懸臂長軸方向加工時，進給量增大，刻劃深度變小，表面粗糙度變化存在一個拐點。
(4)?刻劃方向的影響規(guī)律：沿著懸臂長軸方向的加工比垂直于長軸方向的加工所加工結(jié)構(gòu)的深度淺、表面質(zhì)量好；但采用垂直于長軸方向的加工，隨著進給量增加，加工結(jié)構(gòu)的深度和表面粗糙度單調(diào)增加。
二、新型納米加工系統(tǒng)刻劃加工分子動力學(xué)仿真研究
隨著加工尺度下降使納米體系包含的原子數(shù)目大大降低，宏觀固定的準(zhǔn)連續(xù)能帶消失了，而表現(xiàn)為分立的能級，量子尺寸效應(yīng)十分顯著，使納米體系的光、熱、電、磁和力學(xué)等物理性質(zhì)與常規(guī)材料不同，勢必會出現(xiàn)許多新奇特性。目前由于缺乏必需的儀器，無法有效地觀察和記錄納米尺度瞬態(tài)加工過程的特異狀態(tài)和現(xiàn)象。因此，納米尺度材料去除機理的研究成為納米加工的一個瓶頸問題。分子動力學(xué)計算仿真方法為解決這一問題提供了可能，本文就這一方法作了下述工作：
?(1)?建立了用原子勢能的變化來分析工件材料局部變形特點的新模型，突破原來分子動力學(xué)仿真分析方法采用整體勢能變化分析工件材料變形的局限。為研究加工過程工件局部納米尺度變形提供了有效手段。
?(2)?提出了探針的切削比(探針尖端參與切削部分尺度/非切削部分尺度)的概念，用此參數(shù)可以判別在不同刻劃深度時，采用不同探針針尖半徑刻劃的去除狀態(tài)。這為在納米加工時，實現(xiàn)有效地去除納米尺度材料的刀具選擇，提供了理論依據(jù)。
?(3)?提出了采用微探針加工凹坑結(jié)構(gòu)的分子動力學(xué)仿真模型，從切削力及工件能量變化的角度，研究了兩次刻劃之間的工件的馳豫過程對刻劃過程的影響規(guī)律。這為采用分子動力學(xué)方法分析復(fù)雜的納米加工過程提供了參考。
三、提出了基于微懸臂變形的AFM微探針三方向刻劃力測量方法。
加工過程的力信號能夠提供材料去除過程的信息。為了深入了解納米加工過程中材料的去除機理，須對加工過程中的力的變化進行研究。然而由于納米加工過程中材料的去除是在納米尺度，相應(yīng)的切削力為數(shù)十至數(shù)百微牛，而目前缺乏微牛量級切削力的測量方法，這成為研究納米機械加工過程及加工機理的一個制約。因此，本文在這方面作了下述工作：
(1)?提出了基于微懸臂變形的探針刻劃力測量的新方法，為研究納米加工過程提供了重要的切削力的信息。并且分析了AFM系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置和精密工作臺的參數(shù)設(shè)置對刻劃力測量結(jié)果的影響。
(2)?從單位切削力的角度驗證了分子動力學(xué)的仿真結(jié)論。采用本文提出的力測量方法的AFM實驗結(jié)果及分子動力學(xué)仿真結(jié)果均表明刻劃單晶銅時，單位切削力隨著刻劃深度與探針尖端半徑之比增加而減小。實驗結(jié)果與仿真結(jié)論與國際知名學(xué)者Belak等人的實驗和仿真結(jié)論符合很好，驗證了本文提出的力測量方法的正確性。
(3)?采用本文提出的力測量方法用實驗驗證了：用切削力與法向力的比值判斷臨界切削狀態(tài)的可行性(該判別是前人用分子動力學(xué)仿真計算得出的，并無實驗驗證。)。
四、基于AFM金剛石探針納米機械刻劃加工技術(shù)的應(yīng)用研究
在研制了基于AFM的新型納米加工系統(tǒng)與相應(yīng)的加工工藝，以及有關(guān)的理論的基礎(chǔ)上，本文把這一技術(shù)應(yīng)用于激光聚變點火靶表面微充氣孔的加工、單晶硅表面可控自組裝加工，以及脆性材料超精密加工表面局部缺陷改善等方面，取得了滿意的結(jié)果。
(1)?提出了采用該技術(shù)在微小(直徑為0.2-0.5mm)空心薄壁(壁厚為0.8-1.2μm)的玻璃靶球表面加工錐形微充氣孔的加工方法，并加工出了良好的符合打靶實驗要求的錐形微充氣孔，解決了應(yīng)用單位未解決的難題。
(2)?提出了用“自下而上”與“自上而下”相結(jié)合新方法，即基于AFM的納米刻劃加工與分子自組裝相結(jié)合的方法，在單晶硅表面生成十六烯自組裝分子的微納米復(fù)合圖案，為加工微納復(fù)合結(jié)構(gòu)開拓了新途徑。
(3)?提出了采用基于AFM的納米刻劃加工技術(shù)去除脆性材料超精密加工表面的微納尺度裂紋的新方法。這為超精密加工表面的局部質(zhì)量改善以及局部缺陷的去除提供了一種有效的新方法。
本研究的創(chuàng)造性貢獻主要有：
1.??????建立了一種通過原子勢能變化分析工件局部變形的分子動力學(xué)新的模型，突破了現(xiàn)有分子動力學(xué)仿真分析方法中采用工件整體勢能變化分析工件變形的局限性。
2.??????提出了AFM探針刻劃過程中三維刻劃力的測量方法，成功用于刻劃加工時探針幾何參數(shù)和刻劃工藝參數(shù)選擇，并從單位切削力的角度驗證了分子動力學(xué)的仿真結(jié)果。
3.??????建立了基于AFM的納米級加工系統(tǒng)，并采用機械刻劃方法，?成功地實現(xiàn)了多種復(fù)雜微小二維和三維結(jié)構(gòu)的加工，解決了微小空心薄壁玻璃靶球表面錐形微充氣孔的加工難題。
4.??????提出了用“自下而上”與“自上而下”相結(jié)合新方法，即基于AFM的納米刻劃加工與分子自組裝相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了在單晶硅表面生成十六烯自組裝分子的微納米復(fù)合圖案。
此外，在博士論文工作的基礎(chǔ)上，目前采用該技術(shù)已成功加工出微米尺度納米精度的復(fù)雜三維連續(xù)曲面結(jié)構(gòu)如人臉、正弦、三角波等微結(jié)構(gòu)。在20微米范圍內(nèi)制作了H.?Rohrer(掃瞄隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的發(fā)明者)的三維人臉結(jié)構(gòu)，并作為禮物贈送給本人。

關(guān)鍵詞：原子力顯微鏡，金剛石針尖，納米加工，分子動力學(xué)，微結(jié)構(gòu)