基于AFM的单晶铜薄膜压痕的分子动力学研究

为了研究基于ArM的单晶铜薄膜压痕过程,建立了单晶铜薄膜纳米压痕过程的三维分子动力学模型.采用对势Morse势计算试件原子之间,试件原子和压头原子之间的相互作用.模拟了不同压入深度(0、0.361、0.722、1.083 nm)的压痕过程,分析了压入深度对压头应力、系统势能变化的影响.结果显示,单晶铜薄膜的纳米压痕的力学机理足非晶态产生的变形.当压人深度增加时,系统势能变化增大(最大的压入深度对应的系统势能变化为-83 900～ -83 400 eV),压头受力变化增大(最大压力深度对应的受力为-0.3～70 nN),体现出强烈的尺寸效应.     

基于分子动力学的原子力显微镜表面成像

基于非接触式原子力显微镜针尖扫描成像机理,应用分子动力学方法采用非刚性针尖-表面原子团簇相互作用模型,模拟超低温环境下,非接触式原子力显微镜单晶硅针尖扫描单晶硅(111)-(7×7)表面成像过程.仿真计算采用两种原子间经验势函数描述针尖-表面原子间相互作用,两种晶向针尖末端模型都实现了对单晶硅(111)-(7×7)表面原子级分辨率仿真成像,在某些超原子级分辨率仿真图像中在单晶硅(111)-(7×7)表面Adatom原子位置出现了的双月牙峰形结构,模拟计算与成像试验文献中得到的图像基本一致.同时对采用确定的势函数及确定的晶向针尖末端,实现稳定成像的扫描针尖-表面距离进行讨论.扫描过程中针尖和被测表面形貌轻微改变,对扫描成像结果影响不大.     

纳米压痕技术及其试验研究

介绍纳米压痕技术的基本原理和计算方法 ,从定义、适用范围和压痕面积的获得方法等三个方面指出纳米硬度与常规硬度之间的重要区别 ,对硬度的概念做了进一步讨论。通过试验得出了单晶铝材料的纳米硬度值 ,并与传统计算方法获得的硬度值进行了比较。     

基于AFM的单晶铜薄膜压痕的分子动力学模拟

使用三维分子动力学方法对基于AFM的单晶铜薄膜压痕过程进行了研究。采用对势Morse势计算试件原子之间,试件原子和压头原子之间的相互作用。模拟了不同压入深度的压痕过程,分析了压入深度对压头应力、系统势能变化的影响。结果显示单晶铜薄膜的纳米压痕的力学机理是非晶态产生的变形。当压入深度增加时,系统势能变化增大,压头应力变化增大,体现出强烈的尺寸效应。     

单晶铜薄膜纳米压痕过程的分子动力学模拟

使用三维分子动力学方法模拟了单晶铜薄膜的纳米压痕过程,研究了压头半径对纳米压痕过程的影响;采用Morse势函数计算试样原子与压头原子之间、试样原子之间的相互作用关系.结果表明:单晶铜薄膜纳米压痕的力学机理是非晶态产生的变形;纳米压痕过程具有尺寸效应,压头大小对单晶铜薄膜纳米压痕的分子动力学模拟结果有显著的影响.     

基于纳米压痕技术和AFM的单晶铝硬度测试实验研究

利用纳米压痕技术对单晶铝作压痕试验,获得载荷-压深的加载和卸载曲线。根据O liver-Pharr方法求出压头与测试材料之间接触表面的投影面积Ac和硬度值Hop。再利用原子显微镜(atom ic force m icroscopy,AFM)得到压痕的真实三维形貌图。结合M atlab对压痕进行分析,得到压痕的真实残余面积Aresidual,并计算出其硬度Hresidual。通过对两组单晶铝的硬度数据进行比较分析:在微纳米尺度下,两种方法计算得到的压痕硬度都存在压痕尺寸效应,Hresidual的压痕尺寸效应比Hop要更明显。     

基于原子力显微镜的纳米加工研究

以原子力显微镜(AFM)作为加工工具对单晶硅进行了基于金刚石针尖的纳米加工试验,运用不同的方法对纳米加工区域的特性、材料在不同垂直载荷下的去除机理及切屑形成特征进行了系统的研究和分析,提出了一种在纳米尺度下研究加工机理的新方法。在此基础上,应用有限元法对AFM纳米加工中存在于金刚石针尖和被加工材料之间的接触作用机制进行了计算仿真。     

单晶铜原子力显微镜加工过程亚表面变形层的分子动力学仿真

建立了原子力显微镜针尖切削单晶铜的三维分子动力学模型,采用嵌入原子势模拟工件原子之间的作用,采用Morse势模拟工件原子和刀具原子之间的作用.研究了工件材料的不同晶向和刀具切削方向、切削速度对工件亚表面变形层深度的影响.引入了原子势能变形判据,通过分析不同变形区域内原子的势能变化判断工件变形程度.观察了不同切削状态下亚表面原子势能的变化,发现工件材料晶向和切削方向对亚表面变形层深度有着显著影响.在切削速度为20～250 m/s范围内,切削速度对亚表面变形层深度没有影响.     

基于原子力显微镜的薄膜厚度检测系统

研制了一种基于原子力显微镜的薄膜厚度检测系统。该系统首先绘制薄膜轮廓曲线,根据曲线找到薄膜边界,然后计算镀膜区与无膜区的高度差,得到薄膜厚度。跟台阶仪、光学轮廓仪相比,该系统具有操作简单、抗干扰能力强、精度高的优点。实验表明。该系统有很高的重复性,能够精确测量各种不同性质的薄膜的厚度。     

基于AFM纳米机械刻蚀的分子动力学模拟研究

基于原子力显微镜AFM(atomic force microscope)的纳米机械刻蚀加工是扫描探针刻蚀加工技术( scanning probe lithography, SPL)的一个重要组成,目前已取得较大进展.但由于纳米机械刻蚀涉及原子的结构与运动,其加工机理尚有待于进一步研究.分子动力学模拟技术是近年来发展的继实验和理论研究后的又一重要研究方法.文章综述采用分子动力学模拟技术,研究基于AFM的纳米机械刻蚀加工的进展, 分析纳米尺度的加工机理,评述探针、刻蚀工艺、工件材料等因素对纳米机械加工过程的影响.文章最后指出今后研究的方向.     

MICRO/NANO-MACHINING ON SILICON SURFACE WITH A MODIFIED ATOMIC FORCE MICROSCOPE

0 INTRODUCTIONAtomic fome forcooPe (AFM ) has benp--ing nanotechnDbo botically since it caznintO the wOrld in l986 which enables echers tOstudy the material surface structure and funCtion onnanOmeerscal.[11. Aithough AFM was ndtially edto -- the surfare --, Pbnd all--ed and the for --, it wh hi --as a -- ed to ed me-- and ~ ofits bo,ed are the tw the ed intha me fuare. UP to me, ny bo boed the ds of mawt ed nd dsbo Ai on the ot ed ly -ot bo -- ~ wh fortiof,--,'] .Th W tiP stinhateS…     

THEORETICAL ANALYSIS AND EXPERIMENTAL STUDY OF CARBON NANOTUBE PROBE AND CONVENTIONAL ATOMIC FORCE MICROSCOPY PROBE ON SURFACE ROUGHNESS

In this paper, three different tips are employed, i.e., the carbon nanotube tip, monocrystalline silicon tip and silicon nitride tip. Resorting to atomic force microscope （AFM）, they are used for measuring the surface roughness of indium tin oxide （ITO） film and the immunoglobulin G （IgG） proteins within the scanning area of 10 μm×10 μm and 0.5 μm×0.5 μm, respectively. Subsequently, the scanned surface of the ITO film and IgG proteins are analyzed by using fractal dimension. The results show that the ffactal dimension measured by carbon nanotube tip is biggest with the highest frequency components and the most microscopic information. Therefore, the carbon nanotube tip is the ideal measuring tool for measuring super-smooth surface, which will play a more and more important role in the high-resolution imaging field.     

高精度STM.IPC-205BJ型原子力显微镜的设计

在成功研制高精度IPC-205B型STM基础上对硬件设计和软件配备进行改进,研制开发了更高精度和应用更广的原子力显微镜.阐述该原子力显微镜的工作原理、组成及应用,详细介绍镜体的独特设计与控制过程、微悬臂的制作与工作过程.该样机采用简单适用的新型微悬臂,利用扫描隧道显微镜检测微悬臂的起伏,通过四维机械驱动和双压电陶瓷扫描,能够有效提高扫描精度、扩大扫描范围.该原子力显微镜的分辨力为:横向0.1 nm,纵向0.01 nm.给出该机型检测的几种样品的扫描图像.     

纳米压痕硬度尺寸效应分析及其试验研究

针对材料纳米压痕硬度的压痕尺寸效应(Indentation size effect,ISE),利用纳米压痕技术测得单晶铝和单晶硅的载荷-压深曲线,获得最大载荷和最大压深,并结合原子力显微镜,获得压痕的三维形貌,计算出压痕的真实残余面积。根据最大压深和残余面积提出了一个新的模型——残余面积最大压深模型,此模型能更好地理解和描述材料硬度的压痕尺寸效应,并与其他几种典型的理论和模型进行了比较和分析。     

纳米薄膜润滑及其改性的分子动力学模拟

研究了纯正十三烷和含有摩尔分数为10％的多面体倍半硅氧烷材料T8H8的正十三烷两种润滑膜在不同剪切速率下的纳米薄膜润滑行为。首先建立了长链分子间的作用力模型,接着运用分子动力学模拟的方法得到了两种润滑膜分别在1 m／s、5 m／s、10 m／s和20 m／s四种不同剪切速率下所受到的平均剪应力以及沿着膜厚方向的速度、密度和平均温度分布,考察了一些特殊的物理现象。结果表明:分层和层间滑移现象在两种润滑膜的各种剪切速率下都会发生,是纳米薄膜润滑中的普遍现象;随着剪切速率的不断增加,两种润滑膜内部的温度都在不断升高。在各种剪切速率下,润滑膜中心层的温度总是达到最高值;T8H8加入到纯正十三烷中能显著降低润滑膜所受到的剪切应力和内部产生的温度,达到改善润滑剂润滑效果的作用。     

超薄水膜剪切流的分子动力学模拟

为揭示超薄膜的摩擦特性与微观结构的关系,运用分子动力学模拟的方法对其进行研究,采用固液比作为流体膜固化的定量描述,分别讨论温度﹑分子层数对固液比和摩擦力的影响。仿真结果表明,摩擦力随固液比的增大而增大;当壁面原子与液体膜原子的质量比增大时,会造成固液比缓慢上升,但摩擦力却随之下降,固液间滑移长度的增大是造成这一现象的主要原因。     

纳米压痕位移突变机理研究

用铁和ZnO单晶研究纳米压入时的位移突变和蠕变突变.结果表明,电解抛光的纯铁压入时会出现位移突变,突变前后的载荷一位移曲线明显不同,它对应表面膜破裂.而对于ZnO单晶来说,突变前后载荷一位移曲线变化不大,该突变意味着位错的爆发式发射.随加载速率降低,发生位移突变的临界载荷PC也下降.当P＞PC恒载荷蠕变时,位移缓慢升高直至饱和,但无突变;如P＜PC,恒载荷下保持一定时间就会发生蠕变突变,随后位移缓慢升高至饱和;如P＜P++(门槛载荷),则不发生蠕变和蠕变突变.     

基于原子力显微镜的微纳结构力学测试系统

原子力显微镜是微纳米尺度科学研究中的一个精密仪器,从原理和应用,设备的软件、硬件的扩展都具有很大的发展空间.随微纳机电系统的应用,非常迫切需要开发基于原子力显微镜的力学相关测试系统.在此情况下,着重开发部分相关力学测试软件和系统硬件的扩展.基于原子力显微镜中的一个最基本的力-位移曲线功能,开发力学测试软件,实施单点、多点的力曲线测量,疲劳度测量和单线扫描四个测试功能,系统在硬件上增添微动平台,具有较大的横向位移,保证微纳结构尺寸的测试.相关测试表明,该软件具有较好的一致性和使用性,能方便地进行力学量的提取.     

MOLECULAR DYNAMICS SIMULATION OF POLISHING PROCESS BASED ON COUPLING VIBRATIONS OF LIQUID

Molecular dynamics method is applied to study the machining mechanisms of polishing based on coupling vibrations of liquid. The physical phenomena of abrasive particles bombarding on silicon monocrystal surface are simulated using Tersoff potentials. The effects of vibration parameters, particle size, incident angle and panicle material are analyzed and discussed. Material removal mechanisms are studied. Deformation and embedment phenomena are found in the simulations. Bombardment will destroy the crystal structures near the impact point, and adhesion effect is responsible for final removal of material.