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。     

硅（100）表面组装膜的第一性原理研究

应用基于密度泛函理论的第一原理计算研究硅（100）表面芳香烃重氮盐自组装单层膜的键长、键角和能量的改变.通过模拟计算,可以确定自组装膜的稳定结构和结合能.计算结果显示,单晶硅表面在自组装前后部分键长和键角发生了明显的改变.整个自组装系统减少的能量是-101.95eV,该能量是形成Si-C共价键释放出的结合能,说明芳香烃重氮盐和单晶硅（100）表面很容易形成自组装单层膜.自组装后的系统稳定性很好,证明硅表面的单层膜结合的很牢固.     

基于机械—化学方法硅表面芳香烃重氮盐单层膜的制备

基于金刚石刀具建立能在溶液中加工微小结构的微加工系统,在一端为硝基的四氟化硼芳烃重氮盐溶液(NO2 C6H4N2BF4)中用该系统切削硅片,利用机械与化学结合的方法使得芳香烃分子和切削过的硅片之间以共价键连接,实现硅表面的“成形并功能化”的一步完成,为纳米尺度功能化结构的构筑提供一定的试验基础。用扫描电子显微镜(Scanning electronic microscopy,SEM)表征不同切削力下的微结构表面形貌图,为下一步在溶液中“成形并功能化”硅表面提供好的基底。用X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS )和原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)分别研究组装时间和切削速度对切削处生成自组装单层膜(Self-assembly monolayer,SAMs)质量的影响,总结出本试验条件下切削力为20 mN,组装时间为12 h左右,切削速度为500 nm/s的时候组装膜表面质量较好。并用AFM对自组装膜的纳米摩擦性能进行检测,证明组装前后硅基底表面的化学组成发生了变化,组装后SAMs表面的摩擦力较大。     

基于DIC技术的5083铝合金成形极限研究

5083铝合金板材的成形极限测定不仅精确度低而且实验过程复杂、成本较高,为了更加准确地得出5083铝合金材料的成形极限并降低结果成本,利用数字图像相关法技术和Nakajima实验对5083铝合金的成形极限进行研究。将5083铝合金材料做成不同尺寸的板材以改变其受力状态,并模拟材料实际所受的单向拉伸、平面应变和等双拉3种受力状态。利用应变率准则对5083铝合金材料的实验数据进行处理,得到实验条件下的5083铝合金的成形极限曲线。为方便快捷地预测出5083铝合金材料的成形极限,建立了5083铝合金成形极限的数学模型,将模型预测结果与实验结果具有很高的重合度,为预测5083铝合金的成形极限提供了较好的依据。     

AFM的纳米硬度测试与分析

基于原子力显微镜(AFM)和金刚石针尖建立了一套纳米压痕测量系统。通过向系统发送控制电压使金刚石针尖在完成加载和卸载全过程的同时进行实时的数据采集并直接绘出载荷-压深曲线。利用该系统,对单晶铝和单晶铜薄膜材料进行了单点压痕实验,用美国Hysitron公司的纳米原位测量仪(TriboIndenter)做了验证试验。实验结果表明,该系统适合测量较软材料的纳米硬度。分析了基体材料对薄膜硬度和弹性模量的影响,在薄膜厚度低于5~10倍压入深度时,基体对薄膜材料的力学性能影响很大;并根据获得的载荷－压深曲线分析得出由于尺度效应的影响,随着压痕深度的减小,薄膜的硬度值呈明显的上升趋势,弹性模量没有这个趋势。     

基于AFM纳米硬度测量系统的实验

为了解决用AFM自身压痕软件进行纳米硬度测量时无法直接获得载荷-压深曲线和由于受到扫描陶管扫描范围的限制而进行多点压痕实验范围有限的问题,建立了三维微动工作台和原子力显微镜相结合的纳米压痕硬度测量系统.基于该系统,对单晶薄膜材料进行了单点压痕实验,得出该系统适合进行纳米硬度测量的结论;并对薄膜材料的纳米硬度和弹性模量进行了分析,讨论了尺寸效应对两者的影响.另外,进行了40×40的点阵压痕实验,得到了材料整个压痕面的三维形貌图和三维硬度图.     

单晶硅的纳米硬度测试分析

介绍了测量硬度的几种方法,分析了纳米压痕硬度测量的基本原理。用美国原位纳米力学测试系统中的TriboIndenter对单晶硅进行了试验研究。试验结果表明,由于尺寸效应纳米硬度值随着载荷的增大而逐渐减小,纳米级的压痕试验得到的单晶硅的硬度值要高于其他传统方法测得的宏观硬度值。