基于AFM的微结构加工实验研究

本文建立了微动工作台和原子力显微镜相结合的微加工系统，在该系统上采用金刚石针尖进行微加工实验，与SPI系统本身的刻划软件刻划出的图形进行了比较分析，得出这个系统适合微结构的加工；并给出了采用该方法加工的1111面及多边形面微结构；还分析了金刚石针尖几何角度及SPM和工作台的相关参数对加工的影响。     

利用AFM对单晶硅表面加工化学反应理论分析

以原子力显微镜为工具,在空气条件下对单晶硅片表面加工得到下凹的三维微结构。给出了AFM金刚石针尖在对单晶硅的微加工中的化学反应和加工模型。对加工条件下发生的化学反应及其原理进行了理论分析。用化学热力学定律、化学动力学原理和相关的热力学数据自由能、生成热、化学键能、活化能等分析加工过程中发生的反应是空气中O2与单晶硅Si反应生成二氧化硅的过程;金刚石针尖磨损发生的反应主要是空气中O2与金刚石针尖C反应生成CO2的过程。     

夹紧力的施加顺序对薄壁机匣件装夹变形的影响

航空发动机机匣是典型的复杂薄壁件,具有尺寸大、壁厚小和零件的结构刚性较差等特点。为了保证工件加工过程的顺利进行,通常需要采用多个夹具。当夹紧元件对工件施加夹紧力时,由于施加夹紧力的顺序不同可能导致定位元件、夹紧元件与工件接触处发生变化,从而使工件变形。以航空发动机薄壁机匣件为研究对象,利用数学建模的方法分析夹紧力的施加顺序与工件产生变形的关系,建立有限元装夹模型,进一步分析对其变形的影响,运用实际装夹试验验证有限元模型的准确性。结果表明,施加夹紧力的顺序对薄壁件的装夹变形存在明显影响,且对与夹紧力直接接触表面的变形影响较大。     

基于维氏金刚石针尖制备复合SERS基底的技术研究

基于维氏金刚石针尖的连续压痕加工方法,在铜基石墨烯表面上成功地制备出了阵列的四棱锥形压痕结构。随后,在结构化的铜基石墨烯表面涂覆一层金膜以作为复合SERS基底。实验结果表明,通过改变相邻间距的四棱锥压痕重叠形成不同形状的阵列微/纳结构,且该微纳结构对带有金膜的铜基石墨烯基底的拉曼强度有影响。在制备微纳结构的过程中,石墨烯出现了堆叠的现象,且随着加工间距的减小,石墨烯的层数有逐渐增加的趋势。其次,通过改变相邻两个压痕之间的间距四棱锥压痕的深宽比（S）对R6G分子的拉曼强度有明显的影响。其中,当S为0.043时,检测R6G分子610 cm^-1特征峰的最大拉曼强度为1 439 counts。在压痕的材料堆积处及压痕的内部检测R6G分子拉曼强度的标准偏差分别为6.16%和9.19%。在检测农药残留方面,采用该复合基底检测百草枯和西维因的分辨率分别为10^-5mol/L和10^-6mol/L。该方法是一种可靠的及成本低的制备复合SERS基底的方法,且能够实现对农药残留的低浓度检测。     

微纳米切削装置及实验研究

目前超精密加工领域的进一步发展在一定程度上受到纳米加工机理缺乏深入研究的限制,用建立在连续介质力学基础上的有限元方法和传统加工的剪切模型来解释纳米切削机理显然是不合适的,虽然有人用分子动力学计算和仿真纳米切削过程,但由于计算规模不够大,而相应级别的切削实验困难,还不能相互验证.为此,文中搭建了可以实现微纳米切削的实验装置,从实验的角度研究纳米切削机理,为民用工业和国防工业中高精度零件和元器件的超精密和纳米加工提供必要的实验数据支撑.     

硅表面十六烯薄膜的制备与表征

利用机械与化学结合的方法实现了硅基底上的可控自组装（“割草种花”思想）,为纳米尺度结构的构筑提供了一定的实验基础．基于金刚石刀具切削的自组装加工技术,在氢终止的硅表面上制备了十六烯自纽装单分子膜,并利用原子力显微镜（AFM）和X射线光电子能谱（XPS）对自组装膜进行了检测和表征,证明这种方法能够方便快捷地实现硅基底上的可控自组装;并用AFM检测了十六烯薄膜的黏着力,分析了可能导致其变化的原因,根据黏着力的变化也说明切削区域生成了自组装膜。     

利用AFM探针机械刻划方法加工微纳米结构

为了探索在纳米尺度加工微纳米结构,MEMS/NEMS器件的新的加工方法,采用基于AFM改造的微加工系统,研究了探针机械刻划机理,分析了工作台的定位精度,AFM的工作模式,探针形状等因素的影响.以复杂字体“哈工大“为例说明了微纳米结构轮廓坐标的获得,并加工了实例.同时还给出了齿轮形状,各种复杂二维结构的加工实例.结果表明采用AFM探针机械刻划技术可以应用在微纳米尺度结构的加工领域.     

Si表面规则纳米结构AFM阳极氧化研究

为了研究如何采用AFM探针阳极氧化方法在大范围内加工高精度纳米结构,采用AFM与精密工作台结合建立了一套新型纳米加工系统.该系统中,采用导电探针静止的工作方式,通过AFM系统对其进行垂直表面方向的调节,使探针跟踪表面以及表面产生氧化反应.工作台由外控计算机控制作复杂运动,可以实现矢量和点阵两种加工方法.实验表明:该系统消除了AFM本身扫描陶管由于非线性、迟滞等因素影响其大范围内重复性定位精度不高的缺点.大气环境下,在N型硅(111)表面进行了阳极氧化的实验,得到了探针和样品之间的偏压,加工速度和脉冲时间对氧化物高度的影响规律以及加工纳米线时的极限速度为60μm/s.因此,在本文开发的纳米加工系统上采用阳极氧化的方法可以在大范围内加工出复杂纳米结构如线型结构以及复杂的汉字.     

基于原子力显微镜(AFM)的微加工系统

目前原子力显微镜(AFM)已经成为纳米加工领域中一种重要的加工手段,但由于其自身扫描陶管及针尖等因素的影响,AFM的微加工能力在很大程度上受到限制。利用三维微动工作台结合原子力显微镜以及锋利的金刚石针尖组成微加工系统,通过编程获取微结构的轮廓,选择RS-232串口作为通讯方式,发送字符串命令控制工作台的运动实现预定的轨迹,从而消除了扫描陶管运动范围有限且存在漂移和滞后的影响,解决了氮化硅和单晶硅针尖加工材料范围有限的问题,提升了AFM的加工能力,并加工出较为复杂的微结构及微传感器。实验表明这是一种可行的微加工方法。     

基于原子力显微镜(AFM)的微小结构加工工艺研究

为了解决AFM单独用于机械刻蚀加工存在的局限性以及加工过程中各种因素对加工结果的影响等问题,提出一种基于AFM的非硅工艺微结构的加工方法.把三维微动工作台叠加到原子力显微镜工作台上组成新的微加工系统,采用金刚石针尖作为加工工具.根据AFM在线成像后的结果对该工艺过程中各种因素产生的影响进行了研究、分析和说明,得出主要参数优选的一般方法,讨论了与其他微机械加工方法相比较采用该方法的优缺点和可行性.应用该系统进行了微结构的加工实验,实验结果表明该系统能够实现较高尺寸精度和重复性精度的微结构的加工,并且通过优选参数改进工艺完全可以应用于微机械领域中诸如掩模或微尺度模具等简单和复杂的准三维或三维微小结构的加工.