单晶硅表面摩擦诱导化学磨损的行为、机理及控制研究

纳米切削和纳米抛光的关键在于揭示原子尺度材料的去除机理，而纳米压印和纳米铸造则需有效地解决无磨损条件下的脱模问题。因此，微观磨损不仅是微机电系统应用中的关键问题，更已成为纳米制造的共性基础问题。然而，相对于机械磨损，摩擦化学反应所引发的磨损常常在材料的微观磨损过程中起主导作用。为此，本项目拟系统开展单晶硅表面摩擦诱导化学磨损的行为、机理及控制研究。在阐明实验条件、环境气氛及对磨副材料等对单晶硅摩擦诱导化学磨损影响规律的基础之上，采用试验分析与分子动力学模拟相结合的方法深入地揭示其在大气下的摩擦化学反应机制；进而利用液相原子力显微镜，模拟化学机械抛光的工艺条件，阐明液相下单个二氧化硅微球对硅片的去除过程及机理，提出硅基微机电系统的耐磨设计准则和化学机械抛光的工艺优化措施。相关研究符合国家高新科技发展的重大战略需求，其成果不仅可以丰富纳米制造的基础理论，而且也有助于推动微机电系统的实用化进程。

纳米切削和纳米抛光的关键在于揭示原子尺度材料的去除机理，而纳米压印和纳米铸造则需有效地解决无磨损条件下的脱模问题。因此，微观磨损不仅是微机电系统应用中的关键问题，更已成为纳米制造的共性基础问题。然而，相对于机械磨损，摩擦化学反应所引发的磨损常常在材料的微观磨损过程中起主导作用。为此，本项目系统开展了单晶硅表面摩擦诱导化学磨损的行为、机理及控制研究。主要研究进展包括：.（1）阐明了单晶硅表面摩擦诱导化学磨损的影响规律。单晶硅的摩擦诱导化学磨损仅发生在潮湿环境中，且磨损深度随湿度升高先增大后减少。此外，金刚石针尖因其化学惰性，仅在单晶硅表面的产生机械磨损；而氮化硅和二氧化硅针尖由于具有较高的化学活性，均能诱导单晶硅表面化学磨损的发生。最后，材料的磨损率随循环次数的增加逐渐降低至稳定，而随滑动速度的增加指数级降低至平稳。.（2）揭示出单晶硅在大气环境下的摩擦化学磨损机制。单晶硅的摩擦化学磨损是伴随着机械作用和摩擦化学反应共同作用的结果，其中后者为主导。透射电镜的分析结果显示单晶硅摩擦化学磨损区域的晶体结构保持完整，表明其原子去除主要源于摩擦界面间键桥的形成及其在剪切过程中对基体表面原子的剥离。.（3）阐明了水环境下二氧化硅微球对单晶硅材料的去除过程及机理。当单晶硅表面存在原始氧化层，水环境会极大地降低其摩擦化学磨损。当表面氧化层去除后，水环境下单晶硅表面会出现严重的摩擦化学磨损。.（4）提出了单晶硅表面微观磨损防护的新方法。当单晶硅表面有原始氧化层存在时，高湿度和水环境均能够极大地降低其机械损伤和摩擦化学磨损，另外超低的滑动速度也能有效地屏蔽单晶硅表面的摩擦化学磨损。此外，超薄DLC固体涂层和较高浓度的酒精蒸气能够有效地抑制单晶硅表面微观磨损的发生。. 相关研究符合国家高新科技发展的重大战略需求，其成果不仅可以丰富纳米制造的基础理论，而且也有助于推动微机电系统的实用化进程。在本项目的资助下，已出版著作1部：“纳米摩擦学”（科学出版社）；发表学术论文25 篇，其中，SCI检索20篇，EI检索1篇，2篇国际会议最佳论文；授权国家发明专利10项，实用新型专利2项；获教育部自然科学一等奖和中国机械工业科学技术二等奖各1项（均排名第4）。作国际会议邀请报告 7 次，国内会议邀请报告 7 次。培养毕业博士3人，硕士4 人。