摩擦诱导构造纳米凸结构的原理及应用研究

纳米电子器件由各种纳米点、纳米线和纳米凸区构成，其制造的关键在于如何实现这些纳米凸结构的可控加工。目前，光刻技术已逐渐发展到其"应用极限"，现有探针技术通常需要施加电场，操作过程复杂，亟需研究提出一种工艺简单的扫描探针加工纳米凸结构的新方法。本项目拟基于微观摩擦过程中发现的表面凸起现象，系统开展摩擦诱导构造纳米凸结构的原理及应用研究。在阐明各种因素对单晶硅表面纳米凸结构形成的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凸结构的形成机制，并系统地表征其物理、化学、机械和摩擦学性能，进而结合在其它材料表面构造纳米凸结构的可行性探讨，提出摩擦诱导构造纳米凸结构的纳米制造新方法。该方法工艺简单，在纳米电子器件和生物芯片的制造领域具有广阔的应用前景。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/纳机电系统的实用化进程。

纳米电子器件由各种纳米点、纳米线和纳米凸区构成，其制造的关键在于如何实现这些纳米凸结构的可控加工。目前，光刻技术已逐渐发展到其“应用极限”，现有探针技术通常需要施加电场，操作过程复杂，亟需研究提出一种工艺简单的扫描探针加工纳米凸结构的新方法。本项目基于微观摩擦过程中发现的表面凸起现象，系统开展摩擦诱导构造纳米凸结构的原理及应用研究。主要研究进展包括：.（1）阐明单晶硅表面纳米凸结构形成的影响规律：仅当接触压力低于单晶硅的硬度时，摩擦诱导纳米凸结构才有可能形成；凸结构的高度随载荷和循环次数的增加而增加，随单晶硅晶面弹性模量和剪切速度的增大而降低；真空下形成的凸结构比大气下略高。.（2）揭示出单晶硅表面纳米凸结构的形成机制：尽管单晶硅表面凸结构的形成是摩擦化学和机械作用共同作用的结果，但机械作用占主导；凸结构的形成主要源于摩擦诱导的表面非晶化。.（3）系统地表征了单晶硅表面纳米凸结构的机械性能：尽管凸结构的弹性模量比基体略低，但其能有效地抵抗微机电系统典型的剪切和滑动，可完全满足微机电系统的服役要求。.（4）提出了摩擦诱导构造纳米凸结构的纳米制造新方法：基于摩擦诱导纳米加工方法，成功地在石英、玻璃和单晶硅等材料表面构造出点、线、面和复杂图案等各种纳米凸结构；为提高加工效率，开发了具有微米级精度的多针尖摩擦诱导加工设备。. 所提出的摩擦诱导纳米加工方法工艺简单，在纳米器件和生物芯片的制造领域具有广阔的应用前景。在本项目的资助下，参与撰写 3 本学术著作章节，发表学术论文 17 篇，另有 1 篇SCI检索源论文已接受待发表；其中，SCI检索 14 篇，EI检索 2 篇；另有 2 篇国际会议最佳论文，3 篇摩擦学分会优秀学术论文；申请专利 10 项，授权 5 项；获教育部 2012 年度自然科学一等奖 1 项（第 4 完成人）。作国际会议邀请报告 8 次，国内会议邀请报告 3 次；应邀赴美国加州大学伯克利分校、宾夕法尼亚州立大学、澳大利亚悉尼大学与新南威尔士大学访问，境外专家来访 11 批次。培养毕业博士 2 人，硕士 2 人。