机械加工中纳米晶体的产生.docx

2016年 春 季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目学生所在院（系）学生所在学科学 生 姓 名学 号学 生 类 别考核结果阅卷人 第 1 页 （共 页）7机械加工过程中纳米晶体的产生.纳米加工概况纳米加工技术可以分为两大类。一类是设法降低物质结构维度“由上而下的方法，top down”，即采用物理和化学方法对宏观物质进行超细化，为此必须利用基于从连续系统物理学向准连续系统和量子物理学转变的新机制。这类方法通过选择性地去除本体或薄膜材料来加工纳米结构，与微加工技术类似。一些典型的加工方法有：宏观机械加工技术利用金刚石刀具、磨粒对工件材料进行超精密切削、磨削和抛光1；电子束纳米光刻技术利用电子束在涂有电子抗蚀剂的基体材料上直接描画或投影复印图形，可以获得高分辨率的抗蚀剂曝光图形2；纳米压印技术通过模版将图形转移到相应的衬底上，通过热压或者辐照等方法使其结构硬化从而保留转移的图形3；基于扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope，SPM)的纳米加工技术，如单原子操纵的原子级加工、阳极氧化、浸笔印刷以及机械刻蚀加工4，利用针尖与样品之间高度局域化的力、电、磁及光等场，在针尖所对应的样品表面微小区域产生结构性缺陷、相变、化学反应、吸附质移位等干扰，并诱导化学沉积和腐蚀，从而实现原子、分子尺度的加工和操作。另一类是利用自组装将原子或分子组装成系统“由下而上的方法，bottom up”，即基于分子间非共价键弱化作用的超分子、有机分子及其他结构单元在一定条件下自发地通过非共价键缔结成为具有确定结构的点、线、单分子层、多层膜、块、囊泡、胶束、微管、小棒等各种形态的功能体系。这一类全新的纳米加工技术以“由小到大”、“由下至上”这样的过程为特征，其典型代表是自组装技术5。自组装技术将可以利用的基础材料拓展到分子层次，可以合成结构上多样、性能上丰富多彩的材料，可能对应用自组装材料的相关领域产生促进作用，并且代表着一类全新的加工制造技术。自组装技术的最大特点是，自组装过程一旦开始，将自动进行到某个预期的终点，即使是形成复杂的功能体系也不需要外力的作用。除了自组装技术外，物理、化学气相薄膜沉积也是一种由下而上的纳米加工技术，它通过入射原子在基体表面的迁徙、成核、长大形成核岛等过程，最终在基体表面形成连续的薄膜6。.纳米机械加工技术纳米机械加工技术具有原理简单、应用广泛的特点，是一种重要的由上而下的纳米加工技术。典型的纳米机械加工技术包括金刚石刀具车削、金刚石磨粒加工以及金刚石微探针纳米刻划。上个世纪 80 年代，日本大阪大学和美国劳伦斯实验室开展了超精密切削加工极限的实验研究，使用单点金刚石刀具直角车削电镀铜，实现了切削厚度为 1nm 的稳定切削。Takeuchi 在玻璃表面进行极薄切削，加工出直径仅为 1mm 的三维人脸7。Gao 等使用金刚石刀具车削和快刀伺服在铝合金上加工出了空间波长为 100m、振幅为 100nm 的大面积正弦波栅格表面1。Chen等使用单点金刚石刀具车削和慢刀伺服在SU-8光刻胶薄膜上加工出了连续三维结构，并通过反应离子刻蚀将三维结构图案精确地复制到硅基体上8。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所采用弹性顶针式光栅刻划刀刀架和圆弧形刀刃光栅刻划刀，加工出了刻线密度为 1001/mm 的 10.6Lm 激光系统用 30 m 曲率半径凹面金属光栅。近年来，随着 SPM 技术的发展，基于 SPM 的机械刻蚀加工技术也得到了很好的发展。这项技术利用 SPM 针尖与样品之间的相互作用力，在样品表面刮擦、压痕、提拉或推挤材料而产生纳米尺度的结构。同时，使用 SPM 对加工后的表面进行原位检测，可以实现加工检测一体化的要求。Bhushan 等使用原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)金刚石微探针以 40N 的载荷在单晶硅(100)表面上刻划得到了“OHIO”四个字母。Santinacci 等使用 AFM 微探针对沉积在硅基体上的铜薄膜进行刻划，得到了 100nm 宽、22nm 深的沟槽。Silva 等用扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope, STM)微探针在云母表面的金镀层上进行机械刻蚀得到约 70nm 宽的凹槽。Malekian 等结合改进的 AFM 和声发射换能器研究了铬的刻划过程。哈尔滨工业大学董申等建立了由 AFM/精密工作台组成的纳米加工系统，使用 AFM 金刚石微探针在 20m 范围内可控和重复地加工得到了复杂的三维纳米结构，如图 1-1所示的人脸结构9。清华大学张鸣等利用 AFM硅制微探针在接触模式下对光盘进行刻划实验，通过优化刻划工艺参数得到了纳米量级光栅。图1-1基于AFM微探针机械刻划加工得到的三维人脸纳米结构.总结综上所述，在机械加工中，纳米晶体的产生有很多方式，特别是金刚石微探针纳米刻划技术，为制造三维纳米结构提供了一个新的途径，但是很多技术都受到诸多因素的制约。如在加工过程中金刚石刀具与工件之间的摩擦，刀具磨损对加工精度和一致性产生影响。利用微探针纳米刻划加工微纳米器件的加工时间长，重复性和稳定性差。因此，为了进一步提高纳米机械加工技术的加工能力，应着重对加工理论、加工工艺等进行系统研究，缺乏对纳米机械加工机理的理解是制约纳米机械加工质量提高的重要因素之一。因此，个人认为可以采用分子动力学仿真的形式对纳米机械加工机理进行研究，包括工件材料的弹性、塑性变形、加工力的变化、刀具的磨损、表层的形成、以及材料内部的结构和组织状态的变化等，这将更深入的从理论方面对纳米机械加工进行研究，而且省时省力，通过仿真-实验的方式从而在纳米加工中得到更好的加工效果。参考文献1 Gao W, Takaya Y, Gao Y S, et al. Nanomechanical Properties and Nanostructure of CMG and CMP Machined Si SubstratesJ. Key Engineering Materials，2008，381-382：525-528.2 Liu K, Avouris P H, Bucchignano J, et al. Simple Fabrication Scheme for Sub-10 nm Electrode Gaps Using Electron-beam LithographyJ. Applied Physics Letter，2002，80（5）：865-867.3 Torres C M S, Zankovycha S, Seekampa J, et al. Nanoimprint Lithography: an Alternative Nanofabrication ApproachJ. Materials Science and Engineering C，2003，23：23-31.4 Schumacher H W. Controlled Mechanical AFM Machining of Two-dimensional Electron Systems: Fabrication of a Single-electron TransistorJ. Physica E，2000，6(4)：860-863.5 Alivisatos A P, Johnsson K P, Peng X. Organization of Nanocrystal Molecules Using DNAJ. Nature，1996，382：609-611.6 Hwang N M, Lee D K. Charged Nanoparticles in Thin Film and Nanostructure Growth by Chemical Vapour DepositionJ. Journal of Physics D: Applied Physics，2010，43：483001.7 Takeuchi Y, Sawada K, Sata T. Ultraprecision 3D Micromachining of GlassJ. CIRP Annals，1996，45（1）：401-404.8 Chen Y, Li L, Yi A Y. Fabrication of Precision 3D Microstructures by Use of a Combination of Ultraprecision Diamond Turning and Reactive Ion Rtching ProcessJ. Journal of Micromechan