纳米加工技术专题-1教材

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第8章纳米加工技术纳米纳米（符号为nm）是长度单位，原称毫微米，就是10^-9米（10亿分之一米），即10^-6毫米（100万分之一毫米）。如同厘米、分米和米一样，是长度的度量单位。相当于4倍原子大小，比单个细菌的长度还要小。纳米技术纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如纳电子学、纳米材科学、纳机械学等。纳米技术的发展简史1959年，诺贝尔奖获得者、量子物理学家理查德.费曼（RichardFeynman）提出可以从单个分子甚至单个原子开始组装制造物品，这是关于纳米科技的最早的梦想和预言。1974年，日本学者谷口纪男（TaniguchiNorio）教授在CIRP上首次提出“Nano-technology”概念，并预测2000年加工精度将达到1nm。5Cu-3nmCu-30nmAl-1nmAl-10nmAl-30nmAl-100nm61981年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，为我们揭示了一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。1984年，德国学者格莱特（Gleiter），把粒径6nm的金属粉末压成纳米块，并且详细研究它的内部结构，指出了它的界面奇异结构和特异功能。71990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩与第五届国家扫描隧道显微镜学术会议同时举办，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世。标志着纳米科学技术的正式诞生。1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。81997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存储容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。1999年开始，纳米技术产业逐步走向全面商业化，2000年纳米产品的营业额达到500亿美元。我国纳米科技成果概况：1993年，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地，并居于国际科技前沿。1993年，中科院在北京举办了第7届国际STM（扫描隧道显微镜）会议。

1998年，清华大学范守善小组成功地制备出直径为3～50nm、长度达微米量级的氮化镓半导体一维纳米棒，是我国在国际上首次把氮化镓制备成一维纳米晶粒。10

1999年，中科院物理研究所解思深研究员率领的科研小组，不仅合成了世界上最长的“超级纤维”碳纳米管，创造了一项“3毫米的世界之最”，而且合成出世界上最细的碳纳米管。2000年，中科院物理所真空物理开放实验室高鸿钧领导的科研小组，将超高密度存储材料的信息存储点下降到0.6nm，点与点之间的距离降到0.5nm，将现有光盘的存储能力提高100万倍国外纳米技术进展朗讯公司和牛津大学:纳米镊子碳纳米管“秤”，称量一个病毒的重量称量单个原子重量的“纳米秤”利用纳米技术将氙原子排成IBM纳米加工分类包括切削加工（精密切削等）、化学腐蚀(电化学等）、能量束加工（电子束、离子束等）、复合加工、扫描隧道显微技术加工等多种方法纳米加工关键技术检测技术（包括检测纳米级表层物理力学性能、纳米级精度的尺寸和位移的测量、纳米级表面形貌的测量）；环境条件控制；恒温、恒湿、防振、超净机床及工具。机床：高精度、高刚度、高稳定性；工具：纳米级表面，纳米级刃口半径，极小刀尖圆弧半径。几种新兴的纳米加工技术

利用扫描隧道显微镜和原子力显微镜的纳米加工技术化学合成方法化学合成方法是制备纳米尺度电子学器件的另一种途径——用化学过程“自下而上”地把微观体系的物质单元组装成纳米器件。由于用纳米探针进行机械合成很难同时组装数目巨大的纳米结构和器件，所以研究化学合成方法非常重要。

聚焦离子束技术聚焦离子束(FIB)技术是在电场和磁场的作下，将离子束聚焦到亚微米甚至纳米量级，通过偏转系统及加速系统控制离子束，实现微细图形的检测分析和纳米结构的无掩模加工。准分子激光直写纳米加工技术准分子激光(excimerlaser)以其高分辨率、光子能量大、冷加工、“直写”特点、无环境污染以及对加工材料广泛的适应性，使其成为一种重要的MEMS和纳米加工技术。纳米压印技术于20世纪90年代中叶诞生的纳米压印(naIloimprimlimography，NIL)技术，最近被国外称为“将改变世界的十大新兴技术”之一。NIL技术的概念可说是源自于我们日常生活中盖印章的行为，此动作可将原来在印章上的图形压印到另外一件物体表面上。

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纳米加工技术专题从超精密加工到纳米加工2.纳米加工机理：从有限元到分子动力学3.STM纳米加工4.SPM纳米加工系统4.1SPM纳米加工工艺4.2SPM加工工具：金刚石微探针技术4.3纳米加工实验4.4SPM的原子级加工（与测量）方法

纳米加工技术研究内容19Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题综述：从超精密加工（宏观）到纳米加工（微观）？精度的提高越来越难

8.1从超精密加工到纳米加工图8-1影响微纳米加工表面形成的因素20Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题超精密车削的超薄切屑日本大阪大学的井川教授和美国劳伦斯实验室的Donaldson等从1986年开始合作进行的“超精密切削加工的极限”的实验研究。切削实验的机床是劳伦斯实验室的超精密车床PERLII，使用的刀具是特制的金刚石车刀。图8-2是在切削厚度为1nm时切削电镀铜得到的切屑的SEM照片

8.1从超精密加工到纳米加工图8-2纳米切削图示21切屑厚度20nm切屑厚度200nm22Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题理论：有限元方法（FEM）模拟从本世纪70年代，人们就开始用有限元方法模拟切削等加工过程。为了研究超精密加工机理，人们对传统的有限元模型进行了修改，提出了刚—塑性FEM等新的模拟方法，其中有代表性的是日本Kobe(神户）大学的ToshimichiMoriwaki等人对铜的直角微切削过程进行的模拟。他提出了考虑切削刃钝圆半径的有限元模型来分析铜的超精密切削机理，并计算了切削热，研究了工件、刀具的温度分布。结果表明，加工的影响区随着rn/ap（刀具切削刃钝圆半径和背吃刀量的比值）的增加而扩大，切削阻力也与rn/ap成正比。8.1从超精密加工到纳米加工23Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题理论：传统超精密加工理论：

从工艺角度出发金属切削机理：工艺学有限元模拟仿真：

模拟各种切削过程加工区域有限元、刀具有限元、热分析、剪切应力

8.1从超精密加工到纳米加工24Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题存在的理论问题：在超精密加工中，特别是达到纳米加工时，加工发生在很小的区域，该区域只包含数个原子层或数百个原子层。加工过程在本质上是原子的离散现象，工件材料应看作是原子或分子的集合体，对加工过程采用建立在传统连续介质力学基础上的切削理论来解释显然是不合适的。

FEM模拟对研究宏观切削现象是行之有效的，但由于它是建立在接触力学和经典的弹塑性力学基础上的模拟方法，所以不适合用来研究纳米加工过程中的若干机理问题。

8.1从超精密加工到纳米加工25Telephone-mail:spm@

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8.1从超精密加工到纳米加工

图8-3特征尺度、时间尺度和相应的研究手段26Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题其他因素：另一方面，超精密加工和纳米加工都是十分复杂的材料去除过程；超精密加工机床必须有高的稳定性；其运动部件要求有很高的定位精度；加工刀具必须有稳定加工的能力；工件材料要有好的可加工性；并且还要选择合适的加工条件；所以微纳米加工表面的形成受到了来自超精密机床、刀具、工件材料性质和加工条件等各方面线性和非线性因素的影响。8.1从超精密加工到纳米加工27Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题除加工机理、加工模型以外：机床：刀具：加工工艺：因此：要从以上几个方面重新建立纳米加工理论

8.1从超精密加工到纳米加工8.2纳米加工机理纳米级加工的含意是达到纳米级精度的加工技术。由于原子间的距离为0.1一0.3nm，纳米加工的实质就是要切断原子间的结合，实现原子或分子的去除，切断原子间结合所需要的能量，必然要求超过该物质的原子间结合能。用传统的切削、磨削加工方法进行纳米级加工就相当困难了。近年来纳米加工有了很大的突破，如电子束光刻(UGA技术)加工超大规模集成电路时，可实现0.1μm线宽的加工：离子刻蚀可实现微米级和纳米级表层材料的去除：扫描隧道显徽技术可实现单个原子的去除、扭迁、增添和原子的重组。29Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题分子动力学模拟研究由于分子动力学模拟可以直观地模拟超精密加工过程，所以，目前世界上很多国家都开展了分子动力学模拟对超精密加工机理的研究工作。其中，美国和日本在这方面的工作处于世界领先水平。美国的劳伦斯实验室是用分子动力学模拟研究超精密加工机理的先驱。起初，劳伦斯实验室将分子动力学模拟技术用于微磨损、微观压痕与微硬度的研究，后来他们开始研究超精密加工表面的形成机理，1989年，Hoover和Stowers等人发表了用分子动力学模拟研究单晶Cu加工表面的微摩擦问题的论文，揭开了分子动力学模拟超精密加工过程研究的序幕。

8.2纳米加工机理分子动力学是一门结合物理，数学和化学的综合技术。分子动力学是一套分子模拟方法，该方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，以在由分子体系的不同状态构成的系综中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。8.2纳米加工机理3132Telephone-mail:spm@

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进入90年代后，劳伦斯实验室的Belak和Stowers在分析了金刚石刀具压痕实验和切削实验的表面微观形貌后，对金刚石—铜（硅）界面进行了压痕和切削过程的分子动力学模拟，用EAM方法（嵌入原子法）计算铜原子的内聚力，用结合序列模型计算金刚石刀具中的碳原子与硅表面的共价作用，并提出了新的边界条件（如图所示）。

模拟了用金刚石刀具对单晶铜（111）表面正交切削的三维过程和对单晶硅的（001）表面正交切削的二维过程

图8-4分子动力学模拟边界条件8.2纳米加工机理33Telephone-mail:spm@

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图8-5单晶Cu纳米切削分子动力学模型3nmChipToolR=0.5nm0.53nmWorkmaterial:CuCuttingspeed:10m/sDepthofcut:2.2atomiclayer(0.53nm)8.2纳米加工机理34Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题美国Oklahoma（俄克拉何马）州立大学的R.Komanduri教授指导的学生在此基础上进行了单晶硅切削过程的分子动力学模拟，分子间作用力的计算采用的是Morse势函数的计算方法。他的模拟是在主频为333MHz的

工作站上进行的，研究的重点是刀具几何形状对纳米加工的作用。通过研究，发现大切削刃钝圆半径（相对于背吃刀量来说）和负前角在硅等脆性材料的纳米加工过程中对塑性变形区的产生有益，有助于硅以塑性方式去除。

8.2纳米加工机理35他们对第二代分子动力学模型进行了算法上的改进，提出了有限长度分子动力学模拟(LRMDS)方法，在一定程度上提高了模拟计算速度。并在1999年的CIRP上发表了单晶铝加工过程分子动力学模拟的文章，研究了晶格走向对表面粗糙度的影响。此后他们还建立单晶铝的纳米压痕和微刻划的分子动力学模型，研究了晶格的各向异性对微硬度和摩擦系数的影响。36Telephone-mail:spm@

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8.2纳米加工机理图8-6铜正交切削三维图像图8-7硅正交切削图像37Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题牛顿层、恒温层和边界层三层

图8-8纳米切削分子动力学模型Cuttingdirection切削刃NewtonatomsThermostatatomsBoundaryatoms8.2纳米加工机理38Telephone-mail:spm@

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8.2纳米加工机理Y

三维纳米切削MD模型

ZYXNewtonatomsThermostatatomsBoundaryatoms

图8-9刀具纳米切削分子动力学模型39T=040T=3.4ps41T=6.8ps42T=10.2ps43T=13.6ps44T=17.0ps45T=20.4ps46T=23.8ps47T=27.2ps48T=30.6ps49Telephone-mail:spm@

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磨削加工：建立该模型时认为，研磨过程是由大量的切削刃完成的，每个切削刃可看成一个压头。模拟开始时，压头以一定的速度压入工件，然后，压头又以一定的速度向前水平移动，这一过程便相当于研磨过程。他们通过这一模型，重点研究了研磨过程中的堆积现象。

8.2纳米加工机理

图8-10磨削分子动力学模型50Telephone-mail:spm@

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图8-11纳米加工分子动力学模型51Telephone-mail:spm@

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图8-12纳米加工分子动力学模型52Telephone-mail:spm@

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一般来讲，利用分子动力学进行微纳加工计算中涉及四个方面：即系统模型的建立、系统中原子间势能函数的确立、原子经典运动方程的选择和实验条件的模拟。选择一个由若干粒子组成的分子动力学元胞，加上边界条件就可以构成其一般模型；可以采用量子力学及经验势函数确定分子间势函数并运用经典运动方程进行仿真模拟计算。

8.2纳米加工机理53Telephone-mail:spm@

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但是利用分子动力学仿真模拟纳米加工过程，很难用实验加以验证。这主要是因为受计算机运算速度和容量的限制，其所计算的参与纳米微观加工的原子数量很少，而实际纳米加工中的去除量仍然较大，二者不在一个数量级；

因此解决的方法之一是采用大容量计算机提高纳米加工仿真的运算速度，以及采用合理的计算方法等，使满足大量的原子计算，如可以考虑MonteCarlo方法来提高模拟的速度。解决的方法之二是使实际加工的量越小越好，使能够利用测量实验来验证。从目前各类加工手段来看，只有扫描探针显微镜（SPM）加工可以实现这一愿望。

8.2纳米加工机理54Telephone-mail:spm@

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图8-13多晶体与位错分析55Telephone-mail:spm@

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图8-14位错与弛豫分析5657Telephone-mail:spm@

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图8-15不同载荷下的微加工垂直载荷15μN/μm2

垂直载荷25μN/μm2垂直载荷40μN/μm2

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用SPM对加工后的超光滑表面或产生的切屑进行检测，通过对检测结果的分析来研究超精密加工材料去除和超光滑表面的形成机理。美国、德国、日本、新加坡等国的学者进行了这方面的研究，其中较有代表性的是美国Oklahoma（俄克拉何马）州立大学的D.A.Lucca教授，德国布莱梅大学的E.Brinksmeier教授和日本宇都宫大学的YoshioIchida等人所进行的研究工作。

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纳米加工技术专题D.A.Lucca教授在对Cu进行超精密直角切削后，用AFM检测加工表面，发现切削厚度在某一区间时，刀具的前角和刀刃形状对切削力有显著影响。他还用AFM检测了不同刃口几何形状的金刚石车刀对单晶铜超精密加工后的表面。实验结果表明，当切削厚度在几个微米以下时，具有不同刃口几何形状的刀具在切削时表现出不同的力特性，但这种差异对塑性变形层的深度却无影响。塑性变形层的深度也不受切削厚度的影响。通过用AFM对刀具的测量，发现金刚石刀具的磨损主要发生在后刀面。

8.2纳米加工机理60Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题E.Brinksmeier教授对用金刚石车刀加工后的铜和单晶硅，用AFM对加工表面进行成像，研究结果表明，材料的侧向流动及毛刺的形成是粗糙度降低的重要因素。对铜来说，当切削超过某一背吃刀量（2

m）时，切削力会分为三个等级，小的切削力对应小的粗糙度值，大的切削力对应大的粗糙度值，而切削力的突变和晶界之间的变化有直接的对应关系。单晶硅在加工过程中存在临界背吃刀量，当达到临界背吃刀量前，材料以塑性的方式去除，当超过临界背吃刀量后，开始出现脆性裂纹。

8.2纳米加工机理61Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题YoshioIchida用AFM和SEM（扫描电镜）对由单点金刚石车削获得的硅表面及切屑检测，研究了切削速度对硅在切削状态中的脆塑转变行为的影响。研究结果表明，硅在加工中存在脆塑转变的临界背吃刀量，当切削速度增加时，临界背吃刀量也在增加，但不受进给量的影响。此外，他还对超精密磨削的Si3N4表面用AFM进行了研究，认为磨削表面的形貌受到磨粒边缘深入晶面程度及磨削层不平度等因素的影响。SPM方法是一种有效的研究超精密加工机理的实验方法，但由于加工过程中很多因素的可控性差，并且受外界环境影响较大，故在实验时仍存在一定的困难。

8.2纳米加工机理62Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题利用SPM进行纳米加工机理研究的主要目的是可以实现与分子动力学目前计算量相符合的最小去除量，同时SPM也是纳米测量的有利手段，这也有利于进行加工过程中的纳米尺度测量分析。这种加工方式和加工机理与传统加工方法有着本质的区别，可以起到传统超精密加工所无法达到的效果，加工过程中材料的去除量已经达到纳米量级甚至原子量级，如何创立新的纳米加工理论并去解释和指导纳米加工是一个新的问题；而利用金刚石微探针的加工工艺与金刚石车刀的超精密加工工艺有何差别、加工参数与加工条件如何选取等问题尚有待于研究。

8.2纳米加工机理63Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题金刚石刀具纳米压头SPM金刚石针尖超精密加工机床扫描探针显微镜

全新的加工工艺

8.2纳米加工机理8.3扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜scanningtunnelingmicroscope缩写为STM。它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。工作原理扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。就如同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要被分析的材料（针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成）。一个小小的电荷被放置在探针上，一股电流从探针流出，通过整个材料，到底层表面。当探针通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不同，这些变化被记录下来。电流在流过一个原子的时候有涨有落，如此便极其细致地探出它的轮廓。在许多的流通后，通过绘出电流量的波动，人们可以得到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片。

STM拍摄的图片图8-16STM图片图8-17STM原理图8-19

STM工作过程演示STM图8-18

STM实物照片

扫描器检测电路a）输出试件运动轨迹具体应用扫描STM工作时，探针将充分接近样品产生一高度空间限制的电子束，因此在成像工作时，STM具有极高的空间分辩率，可以进行科学观测。探伤及修补STM在对表面进行加工处理的过程中可实时对表面形貌进行成像，用来发现表面各种结构上的缺陷和损伤，并用表面淀积和刻蚀等方法建立或切断连线，以消除缺陷，达到修补的目的，然后还可用STM进行成像以检查修补结果的好坏。微观操作引发化学反应STM在场发射模式时，针尖与样品仍相当接近，此时用不很高的外加电压（最低可到10V左右）就可产生足够高的电场，电子在其作用下将穿越针尖的势垒向空间发射。这些电子具有一定的束流和能量，由于它们在空间运动的距离极小，至样品处来不及发散，故束径很小，一般为毫微米量级，所以可能在毫微米尺度上引起化学键断裂，发生化学反应。移动，刻写样品当STM在恒流状态下工作时，突然缩短针尖与样品的间距或在针尖与样品的偏置电压上加一脉冲，针尖下样品表面微区中将会出现毫微米级的坑、丘等结构上的变化。针尖进行刻写操作后一般并未损坏，仍可用它对表面原子进行成像，以实时检验刻写结果的好坏

纳米神算子——分子算盘

STM探针不仅可以将原子、分子吸住，也可以将它们象算盘珠子一样拨来拨去。科学家把碳60分子每十个一组放在铜的表面组成了世界上最小的算盘。与普通算盘不同的是，算珠不是用细杆穿起来，而是沿着铜表面的原子台阶排列的?这项试验的真正意义在于希望有一天，人们能够自下而上的通过操纵原子、分子来随心所欲地构造新的物质。纳米神算子——

分子算盘

图8-20纳米算盘纳米绘画艺术——

纳米中国图8-21纳米地图图8-22纳米围栏77Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题1.原有扫描探针显微镜2.增加三维运动系统3.增加加工力伺服功能

8.4SPM纳米加工系统78图8-23原子力显微镜原理79Telephone-mail:spm@

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8.4SPM纳米加工系统

图8-24SPM纳米加工系统80Telephone-mail:spm@

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8.4SPM纳米加工系统

图8-25改进的SPM纳米加工系统81Telephone-mail:spm@

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AFM处于接触摸式下，施加垂直载荷。扫描陶管与微悬臂针尖实际上构成一个闭环系统。

8.4SPM纳米加工系统

图8-26AFM接触模式测量控制原理图PI调节器扫描陶瓷管微悬臂PSD检测偏移量给定弯曲量eu82Telephone-mail:spm@

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8.4SPM纳米加工系统三维工作台（四象限）位置检测器激光器被加工样品Z向扫描陶管工作台控制器RS232接口微悬臂金刚石探针显微镜控制器及SAM单元显微镜计算机扫描探针显微镜系统三维工作台及控制系统

图8-27基于SPM的微加工系统原理图XYZ反射镜工作台控制及主控计算机键盘及外设83Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题力控制技术：

8.4SPM纳米加工系统LbthdFzFxFyZXYA

图8-28矩形微悬臂的受力状态及几何尺寸84Telephone-mail:spm@

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8.4SPM纳米加工系统A

图8-29微悬臂的两种状态分别用实线和虚线表示85Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题加工悬臂

8.3纳米加工系统样品移动方向FzFx

图8-30针尖的不同受力状态示意图PSDhh1h2StageCantileverCOAB86Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题与超精密加工类似：进给量加工载荷加工速度影响加工深度及表面粗糙度

8.4.1纳米加工工艺87Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题图8-31加工工艺参数对加工深度和加工表面质量影响88Telephone-mail:spm@

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8.4.1纳米加工工艺040.020.0020.040.0µm①②③④刻划方向针尖b图8-32针尖不同加工刃对加工结果的影响a)b)89Telephone-mail:spm@

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8.4.1纳米加工工艺图8-33金刚石针尖对加工影响分析(a)(c)(b)dbca刻划方向图8-34二维结构的两种不同加工方法刻划方向针尖样品针尖样品(a)(b)90Telephone-mail:spm@

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8.4.2纳米加工探针

图8-35微探针切削状态图FzFxFyυf91Telephone-mail:spm@

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8.4.2纳米加工探针

图8-36加工边界与针尖的磨损92Telephone-mail:spm@

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8.4.2纳米加工探针横向距离(nm)金刚石针尖轮廓nm2W图8-37金刚石针尖磨损量的计算模型YSinitialSfinal93Telephone-mail:spm@

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8.4.2纳米加工探针

图8-38SPM纳米金刚石针尖94Telephone-mail:spm@

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图8-39磨损后金刚石针尖形状的不同视角的AFM三维图像

8.4.2纳米加工探针95Telephone-mail:spm@

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8.4.2纳米加工探针

金刚石针尖的切削棱边在磨损后产生的内凹金刚石针尖磨损后产生的内凹

图8-40磨损后的金刚石针尖96Telephone-mail:spm@

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8.4.2纳米加工探针图8-41原子力显微镜金刚石针尖磨损的AFM高分辨率图象金刚石针尖磨损后产生的内凹

金刚石针尖的切削

棱边在磨损后产生

的内凹97Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题1.直方2.圆3.字母4.孔5.传感器6.复杂图形

8.4.3纳米加工实验98Telephone-mail:spm@

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8.4.3纳米加工实验轻载荷轻载荷加大载荷中间部分为微加工区域8-42AFM微加工及成像过程

a)微加工之前的表面成像b)增加垂直载荷进行微加工c)微加工之后的表面成像针尖纵扫描方向

针尖切削方向针尖横扫描(切削时进给)方向99Telephone-mail:spm@

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8.4.3纳米加工实验

图8-43哈尔滨工业大学的英文缩写100Telephone-mail:spm@

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8.4.3纳米加工实验

图8-44加工的各种直方图形101

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8.4.3纳米加工实验

ab

cd

图8-45金刚石针尖对Si表面进行纳米加工实验102Telephone-mail:spm@

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8.4.3纳米加工实验

图8-46加工的各种直方图形103Telephone-mail:spm@

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8.4.3纳米加工实验ZXYXZAA

(a)(b)

图8-47靶球刻蚀后的立体图及其A-A截面的抛视图2.813μm1.341μmAFM悬臂粘接剂

图5-2SPM加工微孔及粘接胶位置示意图5μm104Telephone-mail:spm@

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8.4.3纳米加工实验图8-48圆形等复杂图形及其抛视图105Telephone-mail:spm@

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8.4.3纳米加工实验

图8-49加工的各种圆图形106Telephone-mail:spm@

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8.4.3纳米加工实验

图8-50加工的各种传感器107Telephone-mail:spm@

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图8-51加工的齿轮的齿形

8.4.3纳米加工实验108Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题AFM金刚石针尖纳米刻蚀（上述加工实例）基于STM的恒高、恒流（隧道）模式基于AFM的阳极氧化诱导、动态耕犁刻蚀、半接触模式等

8.4.4SPM的原子级加工方法109Telephone-mail:spm@

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8.4.4SPM的原子级加工方法Xe原子搬迁图8-52IBM字体的单原子操纵110HarbinInstituteofTechnology

HarbinInstituteofTechnologyPrecisionEngineeringResearchInstitutePERIHITTelephone-mail:spm@SPM的发明初期是用于测量试件表面纳米级的形貌，但是在这些显微扫描探针的实际应用中人们逐渐发现可以通过探针操纵试件表面的单个原子，实现极限的精加工，即原子级的精密加工。

量子围栏

世界上最小的汉字

世界地图

8.4.4SPM的原子级加工方法

图8-53SPM纳米操纵加工图形111Telephone-mail:spm@

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8.4.4SPM的原子级加工方法本原公司在石墨上写的CAS字（10nm线宽）图8-54

各种SPM的原子级加工图形112Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题STM刻蚀（STMLithography)

8.4.4SPM的原子级加工方法

图8-55隧道电流方法加工文献：Biosensor&Bioelectronics11,923(1996).113Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题阳极氧化（AFMOxidationLithography）

8.4.4SPM的原子级加工方法

图8-56阳极氧化方法加工Nanotechnology12,273(2001).

"1steuspentopicalconferenceonfabricationandmetrologyinnanotechnology".-Copenhagen,2000.V.1,р.222-228.114Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题

8.4.4SPM的原子级加工方法AFM（硬探针）刻划方法图8-57AFMLithography-ScratchingAppl.Phys.Lett.,Vol.73,2051(1998).

Appl.Phys.Lett.,Vol.73,2684(1998).

Chem.Rev.97,1163(1997).115Telephone-mail:spm@

纳米加工技术专题8.4.4SPM的原子级加工方法AFMDynamicPlowing图8-58定点编程动态耕犁刻蚀加工J.Appl.Phys.85,3897(1999).Rev.Sci.Instrum.72,136(2001).

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