单晶硅表面摩擦诱导纳米凸结构的摩擦学性能表征

论文摘要

纳米制造是支撑纳米科技走向应用的基础。近年来,本课题组研究提出了摩擦诱导构造纳米凸结构的纳米制造新方法。为进一步完善该方法,有必要系统研究摩擦诱导纳米凸结构的各项性能,以确定其能否满足实际应用的需要。本论文使用原子力显微镜,采用曲率半径约500 nm的金刚石针尖在单晶硅(100)表面加工出隆起,进而对其摩擦学性能进行了系统研究。实验过程中,首先采用氮化硅针尖在100 nN的低载条件下测量隆起和原始硅表面的摩擦力和粘着力,以表征隆起表面的摩擦性能；其次,采用曲率半径约为60nm的金刚石针尖在面隆起和原始硅表面进行划痕实验,以表征隆起表面的磨损性能；最后,研究了隆起表面在氢氟酸中的选择性刻蚀性能。根据上述实验结果和分析,得到的主要结论如下：(1)无论在真空或大气环境中,隆起和原始硅表面在低载条件下测得的摩擦力、粘着力没有显著性差异。与真空环境相比,大气环境下测得的摩擦力和粘着力较大,损伤较严重。(2)与原始硅表面相比,隆起表面在5μN和8μN定载划痕时的损伤较严重,在10μN定载划痕时的损伤差异不明显。由于隆起加工过程的各向异性,摩擦诱导面隆起的划痕损伤表现出一定的各向异性。分析结果显示,摩擦诱导隆起表面的硬度比原始表面低。(3)使用较钝的针尖可以在隆起表面继续加工出隆起,但所加工隆起的高度比在原始表面加工隆起的高度低。(4)摩擦诱导隆起能被氢氟酸选择性刻蚀,刻蚀后隆起区域会形成一个沟槽。刻蚀深度随刻划次数的增加而增大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米科学技术概论
• 1.2 纳米制造概述及发展现状
• 1.3 摩擦诱导纳米加工及其研究现状
• 1.4 本文的研究目的、意义及内容
• 1.4.1 论文的研究目的及意义
• 1.4.2 论文的研究内容
• 第2章 实验材料和方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验仪器
• 2.2.1 原子力显微镜
• 2.2.2 纳米压痕/划痕仪
• 2.3 分析方法
• 2.3.1 表面形貌分析
• 2.3.2 理论分析方法
• 第3章 隆起表面的摩擦力
• 3.1 实验方法
• 3.2 实验结果及讨论
• 3.2.1 真空环境下的粘着力和摩擦力
• 3.2.2 大气环境下的粘着力和摩擦力
• 3.3 本章结论
• 第4章 隆起表面的磨损行为
• 4.1 实验方法
• 4.2 实验结果
• 4.2.1 面隆起
• 4.2.2 隆起和原始硅表面的划痕实验
• 4.2.3 隆起上不同方向的划痕实验
• 4.2.4 隆起上的"隆起"
• 4.3 讨论及隆起硬度的估算
• 4.4 不规则隆起
• 4.5 隆起产生的临界应力
• 4.6 本章结论
• 第5章 隆起在氢氟酸中的选择性刻蚀
• 5.1 实验方法
• 5.2 实验结果及讨论
• 5.2.1 面隆起
• 5.2.2 选择性刻蚀
• 5.3 本章结论
• 结论与展望
• 1.本文的主要结论
• 2.研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文