乙二胺在硅化学机械抛光中的作用机制

利用胶体二氧化硅在胺的辅助下对硅片进行抛光是微电子工业中的一种典型制造工艺,其动力学过程仍然不清楚。研究了在硅抛光中加入不同浓度乙二胺(EDA)对抛光速率的影响,结果表明EDA浓度提高时,硅的抛光速率逐渐增大,并且在质量分数5%时增加74.5%。为了揭示其中的作用机理,对EDA和Si在水中的电离性质作了分析,对硅片表面在EDA碱性溶液中的接触角以及Si经过EDA溶液浸泡后的表面作了X射线光电子能谱(XPS)测试,进一步采用基于反应力场的分子动力学模拟了动态反应过程。分析表明EDA和硅片表面不仅有强烈的库仑吸附作用,且Si和EDA通过Si-N进一步形成化学键,其中EDA中的N原子与硅表面原子能形成两种结构,使附近的Si-Si和Si-O键极化。基于这些测试,最终解释了硅在含有EDA碱性抛光液中的抛光动力学过程,此作用机制可为硅衬底加工的抛光液研制提供一定的技术指导。     

石墨烯层间摩擦的面内局部应变调控

目的 揭示面内应变对石墨烯层间摩擦行为的影响.方法 利用分子动力学模拟方法,基于支撑的石墨烯基底与单层六边形石墨烯滑片接触模型,重点考察滑片在加载面内局部拉伸应变的基底表面的滑动摩擦过程.着重分析滑片所受侧向力(即瞬时摩擦力)随滑动距离的变化规律,计算滑片分别与基底的加载应变区和非应变区的层间作用,通过计算层间作用势能、接触原子数、能量耗散等,直观揭示应变对摩擦的影响机制.结果 当滑片在基底的局部应变加载区域滑动接触时,由于滑片与基底界面公度性和层间势能降低,接触原子数减少,导致滑片所受侧向力的振幅比其在基底的非应变区滑动时明显降低.具体来讲,当应变由0增加至10％,处于应变区的滑片所受侧向力由1.33 nN减小至0.86 nN,降幅达35％.通过计算加载均匀应变的基底与滑片层间的摩擦力,表明摩擦力随应变的增加而逐渐减小,且载荷越高、滑片尺寸越大时,摩擦力降幅越明显.结论 局部应变可以有效调控摩擦的分布规律,降低石墨烯层间摩擦力大小.     

汽车悬架球头拉杆冷成形技术

为提高生产效率、改变原来通过车削加工汽车悬架球头拉杆的方式,提出了一种球头拉杆的多工位冷镦成形工艺。基于DEFORM-3D软件建立了有限元模型,对球头拉杆的塑性成形过程进行了仿真,研究了预成形凸模入模角α、预成形凹模圆角R1、终成形凹模圆角R2以及终成形凹模入模角β等工艺参数对球头拉杆成形的影响,并进行了正交试验,以模具在球头拉杆成形过程中所受载荷及工件损伤值为优化目标,获得了合理的工艺参数组合。结果表明:在保证工件成形质量及模具寿命的前提下,当预成形凸模入模角α为30°、预成形凹模圆角R1为12 mm、终成形凹模圆角R2为3 mm、终成形凹模入模角β为60°时,模具载荷及工件损伤有显著的降低。采用优化后的参数进行试模生产,工件成形质量较好,验证了模拟结果的可信性,能够有效地指导工艺设计人员的设计工作。     

纳观单晶铜表面粘着接触失效的分子动力学模拟

目的为提高微纳米器件的接触性能。方法在考虑粘附力﹑单晶铜基体弹塑性形变,及忽略各向异性影响的条件下,基于分子动力学法,采用混合势函数(EAM和Morse)和Verlet算法,动态模拟了探针与单晶铜基体的粘着接触与分离过程,对接触与分离过程的接触力进行了分析。通过计算原子中心对称参数,描述了接触区域的原子破坏和迁移轨迹的变化情况。结果在下压接触中,因接触力不断增加,接触区域两侧相继出现滑移带,并向两侧方向逐渐扩张,且滑移带与探针下压方向成45?,分离后,受基体弹塑性恢复和能量耗散的影响,接触区域两侧的滑移带由开始扩张逐渐缩小。完全分离后,因粘附力的存在,基体部分原子粘附于探针底表面,探针与基体间形成明显的"缩颈"现象,且发生明显的粘着滞后现象,是接触表面发生粘着失效形式的主要原因。在整个接触与分离过程中,接触区域点阵原子断裂堆积呈"V"字形状。结论粘着影响使基体部分原子易粘附于探针底表面上,形成粘着滞后现象,这是导致微纳米机械易发生粘着接触失效的主要原因。     

高疏水及超黏着性石墨烯薄膜的制备及表征

石墨烯因其特殊的二维结构和优异的力热光电性能而备受关注,因此研究石墨烯薄膜的表面性能具有重要的意义。以天然鳞片石墨为前驱体,采用化学氧化还原工艺制备石墨烯纳米片,利用原子力显微镜、拉曼光谱和红外吸收光谱等测试手段对样品进行表征。采用真空抽滤和喷涂两种方法制备石墨烯薄膜,并用光学接触角测量仪对其表面性能进行测试。结果表明:石墨烯纳米片的厚度约为0.8nm,并且表面有C=O、C-O、O-H等基团和缺陷。真空抽滤制备的石墨烯薄膜具有微纳结构,表现为高疏水性;喷涂法制备的石墨烯薄膜结构较为平整,其疏水性受基底影响。两种方法制备的石墨烯薄膜皆具有高黏着性。石墨烯薄膜所具有的优异性能为其在微纳功能部件、微流输运等高新技术领域的应用奠定了基础。     

陶瓷球高效超光滑磁流变柔性抛光新工艺研究

目的为实现陶瓷球表面的高效超光滑抛光,提出一种集群磁流变抛光陶瓷球的新工艺。方法在传统V型槽抛光陶瓷球的基础上增加集群磁极和上盘旋转动力,配制适当的磁流变抛光液,通过在上下抛光盘的集群磁极,形成磁流变抛光垫包覆陶瓷球,进行研磨抛光加工。然后,基于陶瓷球工件几何运动学和动力学分析得到球体各运动参数的影响关系,利用机械系统分析软件ADAMS对成球过程进行动态仿真,可以看出该抛光方法能够主动控制球体的运动,实现球面抛光轨迹的快速均匀全包络。最后,根据仿真结果,通过调整上下抛光盘的转速比、偏心距和加工间隙等参数,控制陶瓷球的自转角,实现球面的快速高效超光滑抛光。结果用自行设计的陶瓷球集群磁流变抛光实验装置,对氮化硅陶瓷球进行抛光2.5 h,表面粗糙度Ra从60 nm左右下降到10 nm左右,球形误差为0.13μm,达到了陶瓷球轴承氮化硅球的国家标准(G5水平)。结论集群磁流变抛光方式可以实现球面抛光轨迹的快速均匀全包络,实现陶瓷球表面的高效超光滑抛光,值得进一步深入探讨研究。     

冷喷涂Au纳米粒子在金属表面沉积过程的分子动力学模拟

通过对Au纳米粒子在Au基体上沉积过程的分子动力学模拟，再现了冷喷涂中Au纳米粒子在Au基体上沉积的过程以及粒子和基体表层的形貌变化；在撞击过程中，基体的局部区域有熔化现象，通过计算粒子原子进入基体表面层的数量及粒子与基体间的最终接触面积，探讨了影响喷涂粒子沉积过程的主要因素．     

Structural, optical and hydrophilic properties of nanocrystalline TiO2 ultra-thin films prepared by pulsed dc reactive magnetron sputtering

TiO₂ ultra-thin (15 nm) films were deposited on silicon wafers (100) and glass slides by pulsed dc reactive magnetron sputtering in an ultra-high vacuum (UHV) system. The effects of substrate temperature, from room temperature to 400 °C, on structural, optical, and hydrophilic properties of the obtained films have been investigated. The structure of the films was characterized by grazing-incidence X-ray diffraction, high-resolution transmission electron microscopy, and atomic force microscopy. The optical properties were determined by UV-vis spectrophotometer and spectroscopic ellipsometry. The hydrophilic properties of the films, after exposed to ultraviolet illumination, were analyzed from contact angle measurements. The results suggested that the substrate temperature at 300 °C was critical in the crystalline phase transformation from amorphous to anatase in the TiO₂ films. The obtained films exhibited good qualities in the optical properties, in addition to excellent photo-induced hydrophilic activities.     

CuSn预合金粉芯复合银钎料的润湿铺展机理

研究了添加质量分数为30%～70%CuSn预合金粉复合银钎料在T2紫铜基体上的润湿铺展过程,并讨论了CuSn预合金粉复合银钎料在紫铜基体上的润湿铺展机理.结果表明,在与紫铜基体的润湿铺展过程中,初始接触角由30%CuSn的119°降低到70%CuSn的94°.最终接触角由30%CuSn的15°下降到70%CuSn的7°.当粉芯中CuSn合金粉含量为60%时,钎料在铜板上的润湿面积达到530.04 mm²,相比于未添加CuSn合金粉时提高了约66%.由于低熔点CuSn预合金粉的前驱润湿作用使复合银钎料表面张力降低,初始接触角和最终接触角随着CuSn预合金粉含量的增加而减小. CuSn预合金粉在钎焊过程中先于BAg30CuZnSn钎料外皮熔化,形成熔融的铜锡液态合金薄层,降低了固液界面张力.随后,熔化的BAg30CuZnSn箔带在先期熔化的铜锡液态薄层上铺展,并与其发生溶质原子的扩散反应,最终形成液态复合钎料.低熔点CuSn预合金粉的加入,使复合银钎料在铜上的润湿性能显著改善.添加40%CuSn预合金粉复合银钎料与铜基体的反应润湿界面均匀致密,其中白色富Ag相互连接,...     

半导体硅器件接触时粘着产生起因的原子尺度分析

目的 实现对半导体硅器件接触变形与相变转化的微观认识和理解其粘着产生起因.方法 基于分子动力学法的Morse和Tersoff混合势函数,对单晶硅受加载和卸载时的接触特性与粘着起因展开分析,并用剪切应变和配位数分别描述硅器件接触变形与相变行为.结果 加载期时,硅基与探针紧密接触区应变程度由内到外逐渐衰减;卸载期时,应变由外到内逐渐增强,且卸载时接触边缘两侧硅原子会形成桥搭,表明硅基与探针接触时存有粘着,该粘着是诱导硅基原子粘附于探针表面的主因.粘着产生是由于硅基受载时,硅发生相变转化的键能被破坏引起.加载期积累的部分应变能在卸载时得以释放,以致硅基与探针紧密接触区的部分破坏原子粘附于探针外围轮廓,而产生明显粘着增强.另外,加载和卸载时的硅基相变主要以Bct5-Si为主,且单晶硅粘着接触变形与相变行为受温度依赖性显著.温度越高,硅基表面容易有随机粗糙波纹出现,卸载时更容易受温度影响而产生粘着增强效应,这是诱导半导体微/纳器件失效的根本原因.结论 半导体硅器件的动态接触变形与相变转化受温度依赖性显著,温度升高引起的材料软化变形是造成粘附增强的主要原因.此次研究对高温重载工况的半导体器件接触行为和粘着起因的理解有更深层次认识.     

不锈钢基板表面粗糙度对水膜吸附夹持的影响

目的从水膜吸附的功能研究出发,对不锈钢基板表面进行不同粗糙度处理,并测量不同基板对蓝宝石晶片的吸附力以及切向摩擦力的影响,从而得出粗糙度对水膜吸附效果的影响规律。方法通过砂纸打磨、研磨、抛光等方法,得到不同平均粗糙度(Sa=633.4、332.6、116.2、64.5、41.4nm)的不锈钢基板。利用接触角计对液滴在基板表面形成的静态接触角进行拍摄,得出不同粗糙度不锈钢表面的润湿性能。开发设计高精度的多维力测量平台,测量蓝宝石晶片在不同粗糙度不锈钢基板上润湿后的吸附力和切向摩擦力,并与未润湿的基板得到的测量结果进行对比研究,得出粗糙度对吸附力和摩擦系数的影响规律。结果5种粗糙度的不锈钢基板的静态接触角均小于90°,属于亲水性材料。水膜吸附条件下,吸附力大小随粗糙度的增加而减小;接触角大小随粗糙度的增加而增大,且吸附力的减小率和接触角的增大率趋势相似;摩擦系数随粗糙度的增大而增大。基板表面粗糙度较大时,水膜提供一定的粘滞力,使水膜吸附条件下比无水膜时的切向摩擦力更大;当粗糙度较小时,水膜更多的是润滑作用,此时比无水膜时的切向摩擦力要小得多。结论基板表面粗糙度较小时,基板能提供较大的吸附力,而摩擦力不如无水膜时的大;基板粗糙度较大时,吸附力相对较弱,但是摩擦力比无水膜的更大。在选择不锈钢基板作为水膜吸附夹持基板时,在保证足够吸附力的条件下,可以适当提高基板的表面粗糙度,抵抗晶片抛光过程中受到抛光垫的摩擦力。     

硅片自旋转磨削中基于作用力的微观接触仿真研究

采用杯型金刚石砂轮进行硅片自旋转磨削是典型的硅片超精密磨削加工形式。本试验从其磨削过程中抽象出砂轮微单元与硅片的微观接触作为研究对象,建立基于作用力的仿真模型,采用软件LS-DYNA对自旋转磨削微观作用过程进行了模拟,对作用过程中硅片与砂轮微单元的应力应变情况进行了有限元分析。结果表明:硅片材料存在相应弹性转塑性和塑性转脆性的临界位移与载荷;在硅片塑性区域切向滑动时可在硅片表面产生塑性沟槽与隆起;砂轮微单元上的磨损可依据其仿真数据作出判断。研究为硅片磨削及砂轮磨损机理研究提供支撑。      

球磨Si,C混合粉末合成纳米SiC的高分辨电镜观察

在室温条件下，球磨Ｓｉ，Ｃ混合粉末合成纳米尺寸ＳｉＣ，采用高分辨电子显微术在原子尺度上详尽地表征了该尖过程，高分辨像表明，在球磨过程中首先形成非晶Ｃ（ａ－Ｃ）、非晶Ｓ（ａ－Ｓｉ）以及纳米晶Ｓｉ（ｃ－Ｓｉ），为合成ＳｉＣ提供了适宜条件。ＳｉＣ的合成主要是通过Ｃ原子向ａ－Ｓｉ及ｃ－Ｓｉ的扩散，对于前者，形成非晶ａ－Ｓｉ（Ｃ），然后机械力诱使非晶ａ－Ｓｉ（Ｃ）的晶化，形成销大尺寸的ＳｉＣ晶粒。     

基于 Lennard-Jones 势的界面摩擦黏滑行为动力学研究

目的研究界面摩擦过程中,原子间的相互作用关系及规律。方法基于Lennard-Jones(L-J)势理论,建立界面摩擦黏滑行为的非线弹性振子模型,并以α-Fe晶体为例进行仿真分析。结果在假设条件下,质块振动主振频率约为16 Hz;运动端宏观速度v=1×10-3m/s是主振幅值增大的临界值;刚度系数k和阻尼系数c分别在1.0~100 N/m,1.0×10-4~1.0×10-1N/(m/s)范围内变化时,粘滑频率和主振频率分别随二者的增大而提高;摩擦界面真实接触面积S在1.0×10-18~1.0×10-14m2内变化时,增大摩擦界面间的法向压力将导致黏滑强度增大。仿真计算表明:摩擦界面单个原子受到的激励力与原子间作用势及晶格常数有关,质块的黏滑行为与激励力、相对滑动速度、质块质量、系统刚度系数、系统阻尼系数及真实接触面积等内外因素有关。结论相对滑动速度或真实接触面积增大时,黏滑强度增强;质块质量、系统刚度系数、系统阻尼系数增大时,黏滑强度减弱。系统刚度系数、系统阻尼系数增大时,黏滑频率增大;质块质量增大时,黏滑频率减小;相对滑动速度、真实接触面积对黏滑频率的影响不显著。     

Wetting behaviour of Cu based active brazing alloys on siliconised graphite

Abstract

The effects of Al and silicon additions to Cu based brazing alloy and the surface free silicon on siliconised graphite substrate on the wetting behaviour of the siliconised graphite by Cu–Al–Si–Ti alloys were investigated using the sessile drop technique at 1100°C. The contact angles were measured and the interfacial reactions were analysed. It was shown that surface free Si on siliconised graphite had a great positive effect on the contact angle. Furthermore, interfacial reactions could be controlled by adjusting the contents of Si and Al in brazing alloys.     

Adhesion of Sputtered Nickel Films on Polycarbonate Substrates

Nickel films were deposited by radio frequency magnetron sputtering on top of polycarbonate substrates. Surface energy of the substrate was measured by means of the contact angle technique. Effects of sputtering parameters on the critical load between the film and the substrate were determined by the universal mechanical testing system. Optimized fabrication parameters and their influence on the critical load between sputtered nickel films and polymer substrate were studied by means of the orthogonal experimental design. Increasing radio frequency power and time improved film critical load. The radio frequency power had a more pronounced effect on critical load than the sputter power. The plasma pretreatment with Ar gas modified the surface, leading to an increased surface energy, improving the chemical bonds between nickel and carbon atoms, and thereby enhanced the critical load. The adhesion mechanism is also discussed in this paper.     

滑靴裙部外偏角对其收口特性影响规律研究北大核心

斜盘式轴向柱塞泵工作过程中,滑靴与柱塞球头配合副需转动灵活、无紧涩、无阻滞且具备一定的拉脱力和转动摆角,其滑靴收口工艺是关键。利用DEFORM建立滑靴压合模具仿真模型,分析滑靴裙部在压合过程中的变形及应力特性曲线,揭示不同滑靴裙部外偏角对其收口特性的影响规律。结果表明:滑靴裙部外偏角对压合工艺影响较大,以F3V112DT型号泵为例,滑靴裙部外偏角越大,球头包覆材料越多,所能承受的拉脱力越大;滑靴裙部外偏角越大,柱塞径向间隙越大;当外偏角为13.5°~16.0°时,柱塞滑靴副运动特性较好。研究结果为柱塞泵滑靴压合工艺的智能数字化设计提供参考。     

不同接触尺度下石墨烯摩擦学性能研究进展

石墨烯是石墨的基本结构组成单元,是由碳原子以sp^2杂化轨道组成、呈六角型蜂巢状且具有独特二维结构的纳米材料。由于其优异的机械及润滑特性,成为近年来国内外摩擦学领域研究的聚点和热点。大量研究表明:石墨烯不仅在微纳接触尺度下展现出超润滑性能,而且在宏观接触方式下也展现出非凡的摩擦学特性。详细介绍了石墨烯在微观接触和宏观接触状态下摩擦学性能的影响因素。在微观接触状态下,滑动发生在完美、平滑的基础面晶面上,施加的载荷小,接触面小,其摩擦学性能主要受到结构形变、表面清洁(包括缺陷、环境、化学官能团)、公度/非公度结构等因素影响。在宏观接触状态下,施加的载荷大,接触面积大,影响因素众多,除了上述在微观接触状态时提到的影响因素,还涉及材料本身存在的各向异性、晶界以及宏观力的破坏等作用,受到棱边键及摩擦引起的悬键暴露和定序摩擦界面的形成的影响。基于此,分析了石墨烯获得不同尺度超低摩擦所需的必要条件和润滑机制,展望了石墨烯摩擦学研究未来发展方向和仍需解决的问题。     

金刚石探针划切石墨烯的分子动力学模拟

石墨烯被认为是当前最有发展前景的二维纳米材料,拥有优越的物化特性和广泛的应用前景,但石墨烯没有带隙,极大限制了其在电子领域的应用,精密切割能为石墨烯打开一定的带隙。本文采用分子动力学模拟方法对石墨烯进行划切,分析金刚石探针沿不同方向划切石墨烯的微观形貌,研究有无基底、不同切割方向等参数对石墨烯划切边缘能量及划切力等的影响规律。模拟结果表明:金刚石划切石墨烯具有各向异性特征,切割边缘粗糙,没有明显armchair型边缘或zigzag型边缘特征。      

Micro/nanotribological studies of lanthanum-based thin films on phosphorylated 3-Aminopropyltriethoxysilane self-assembled monolayers

Lanthanum-based phosphonate 3-Aminopropyltriethoxysilane (APTES) thin films were prepared on the hydroxylated silicon substrate by a self-assembling process from formulated solution. The tribological behaviors of APTES-SAM, phosphorylated APTES-SAM and lanthanum-based films were experimentally investigated at the nanoscale using atomic force microscope (AFM) and at the microscale using a UMT-2MT reciprocating friction and wear tester.The nano- and microscale tribological behaviors between the films are compared and discussed. Results showed that the adhesive forces and friction forces increased with the relative humidity. When the applied normal load increased from 0 to 70 nN, the adhesion did not change, but the friction increased linearly. Results generally showed surfaces of the more hydrophobic property revealed the lower adhesion. It was also found that lanthanum-based films that had the highest water contact angle exhibited the lowest adhesion force and friction force and the relative long wear life compared with APTES-SAM and phosphorylated APTES-SAM. The superior friction reduction and wear resistance of lanthanum-based thin films are attributed to the low work of adhesion of non-polar terminal groups and enhanced load-carrying capacity of the inorganic lanthanum particles in the lanthanum-based thin films as well as good adhesion of the films to the substrate.