基于纳米摩擦与加工表面重构的机械刻蚀加工机理研究

Mechanical nanolithography is a kind of nanomachining technology, which is flexible in process, easy to control and has unique advantages in small batch production and lithography tools fabrication. Based on nanotribology and theories of surface reconstruction in nanomachining, this project will carry out an investigation in nano scale on contact action, indentation, plowing, friction, crack and surface reconstruction in tip-suface interaction, and on effects of process condition and environment in mechanical nanolithography, as well as on a simulation of machining process. This project aims to reveal action of contact, nanotribological properties and mechanism of surface generation. This project will develop a nano-friction mechanism model of tip-surface interfacial based on nanotribology, machining surface generation model in mechanical nanolithography by establishing energy balance critical condition of surface atom reconstruction and cross-scale simulation process model of mechanical nanolithography. This project will reveal profoundly the physical/chemical nature, process characteristics of machining system and nano scale features of tip-surface friction in mechanical nanolithography. Study results of this project will provide fundamental principles and technology suprports to further development and improvement of mechanical nanolithography technology.

纳米机械刻蚀加工是一项工艺灵活、控制简单的纳米加工技术，在纳米加工的单件小批量生产、刻蚀工具制造等方面具有独特的优势。本项目基于纳米摩擦学与纳米加工表面重构理论，对纳米机械刻蚀加工中探针-工件界面之间的界面接触、压入、推挤、摩擦、断裂、界面重构等作用过程以及加工条件和环境因素的影响进行纳观尺度研究及加工工艺仿真，揭示探针-工件界面之间的接触作用、纳米摩擦特性、加工表面创成机制。创建基于纳米摩擦学理论的探针-工件界面纳米摩擦作用机理模型，提出纳米刻蚀加工表面原子重构能量平衡临界条件，建立纳米机械刻蚀表面创成机理模型；建立纳米机械刻蚀加工工艺跨尺度仿真模型。本项目将深刻揭示纳米机械刻蚀的物理/化学本质、机械刻蚀加工系统工艺特征和探针-工件界面纳观特性。其研究成果为进一步发展和完善纳米机械刻蚀加工技术提供基础理论和应用技术支持。

纳米机械刻划加工是一种工艺灵活、控制简单的纳米加工技术，在纳米加工的单件小批量生产、刻蚀工具制造等方面具有独特的优势。本项目基于纳米摩擦学与纳米加工表面重构理论，对纳米机械刻蚀加工中探针-工件界面之间的界面接触作用机理、纳观摩擦特性、刻划表面创成机理和机械刻划加工工艺开展研究。. 基于原子力显微镜（AFM），研究了探针-工件界面的黏着现象。发现探针-工件界面间的黏着力在纳米机械刻划过程中的作用不能忽略，揭示了金刚石探针-单晶硅试样黏着现象受法向载荷的影响规律。研究发现，黏着作用会直接影响刻划过程探针-试样间的摩擦系数，尤其对界面摩擦的影响最为显著。. 研究了机械刻划过程中探针-工件界面纳观摩擦特性，建立了摩擦系数的计算模型，界定了界面摩擦和耕犁摩擦两种摩擦机理，定义了两种不同的纳米刻划加工状态：界面摩擦主导的刻划过程和耕犁摩擦主导的刻划过程，研究了不同刻划深度对探针-工件界面纳观摩擦机理转变的影响规律。纳观摩擦机理的转变对刻划表面形貌和缺陷的出现产生直接的影响。. 对纳米机械刻划表面创成过程中界面原子的重构进行研究。对机械刻划过程中表层原子的应力、配位数进行了分析，采用拉曼光谱分析了刻划表面的原子结构，揭示机械刻蚀表面创成中的主要机理包括表层材料原子的塑性流动、相变和自由表面原子结构的弛豫。纳米机械刻蚀表面创成中存在材料相变机理的发现，为材料塑性流动和裂纹成核提供了一种理论分析的新角度。自由表面原子结构的弛豫，与机械刻划表面尺寸和型面稳定性有直接关联性。. 研究了工艺参数对刻划深度的影响，获得纳米刻划深度预测模型；优化了刻划速度和刻划次数，揭示了材料弹性恢复对刻划表面型面的影响及探针-工件界面摩擦机理的转变对刻划表面形貌的影响规律。. 以上研究成果，不仅为进一步发展和完善纳米机械刻划加工技术提供基础理论和应用技术支持，同时对精密微细切磨削加工，以及与纳米接触、摩擦相关领域的研究，提供理论参考。