AFM加工中材料去除机理的研究.pdfVIP

微纳制造技术应用研讨会 251 AFM加工中材料去除机理研究+ 闫永达孙涛董 申梁迎春程凯 r哈尔滨工业大学机电学院哈尔滨150001) 摘要：在基于AFM的加工中，通过针尖与表面问力的作用来改变样品表面结构的机械刻划方法不仅在摩擦磨损 中得到广泛的应用，而且也逐渐被应用在微纳米制造领域。但是在针尖与样品表面之间的机械刻划过程中材料的 去除机理有待于更深入的理解。这导致基于AFM加工的加工方法的应用受到了一定的限制。因此，在基于改造 的原子力显微镜的基础上，为了研究金刚石针尖进行机械刻划加工的加工机理，实现了与传统金刚石刀具车削类 似的单向加工的加工方法，并研究了垂直于加工方向的进给量对加工过程的影响，得出了不同的加工机理导致加 工表面质量的差异的结论。 关键词：机械刻划加工机理微纳米制造 0前言 随着扫描探针显微技术研究的深入，人们通过控制探针与表面之间的物理或化学变化，在 纳米级甚至原子分子级范围内可以改变物体表面的结构，从而将其从测量领域扩展到纳米加工 的原子间作用力进行测量的，因此在接触模式下通过增加针尖与表面之间的作用力会在接触区 域产生局部结构变化，即通过针尖与样品表面的机械刻蚀的方法可以进行微纳米级加工。一些 学者在这方面作了很有成效工作。法国的S Kxacke等学者联合研究了把原子 Tegen和德国的B 力显微镜作为加工工具对金属表面进行修饰的可能性。他们在镀在云母上的薄金膜上加工出直 线和圆【l】。北京大学的陈海峰、宋家庆等采用AFM在Au-Pd合金膜上通过机械刻划的方法加 工出了北大的校徽，～首唐诗以及圆等微小规则的二维图形口]。此外还有许多学者在这方面作 了大量的研究工作【州】。但是采用这种方法在针尖的作用下，表面材料的去除机理的研究还不 够深入，使得在微纳米量级上可控的去除材料变得非常困难，这使该种方法的广泛应用受到了 限制。TSumomogi等对此进行了初步研究，以镍，纯金和纯铜为材料利用这种方法进行了微 加工研究。在加工后的成像中可以看到，由于去除材料的粘结性会引起微加工表面的不规则， 而镍则没有这种现象的产生。他认为微加工的机理应涉及几个因素：材料的塑性、粘着性质和 金属氧化层等，而且纳米级厚度的材料去除是可以被控制的p】。此外，LiangZhang采用分子动 力学的方法从原子级水平来分析摩擦与磨损，有这样的结论：金刚石硬质点与样品表面在不同 载荷作用下，存在着：无磨损区，粘结区，耕犁区和切削区嘲。但这些研究还是非常基础的， 因此有必要更加深入的研究微加工的机理。 3100系统，结合精密微动工作台，及金刚石针尖进行 本文采用美国DI公司的Dimension 微加工试验。分析了探针加工的加工机理，研究了在相同的垂直方向载荷作用下，垂直于加工 方向的进给量对加工过程的影响。 HIZ23)资助项目 国家自然科学基金和哈尔滨工业大学校基金(2002 2003年中国机械工程学会年会 1试验装置 显微镜本身只能进行往复扫描加工，为了在加工过程中分析简单，并找到正确的影响加工 过程的因素，本文的试验装置采用显微镜系统与微动工作台相结合，通过外控计算机在该系统上 实现单向加工。显微镜本身的控制器带有一个Signal 可以采集显微镜的输出信号，也可以输入对显微镜的控制信号。因此借助这个设各我们来实现单 程时，设置Setpo“值为设定值。从而实现沿着针尖的一个切削刃单方向进行加工。采用的金刚 N·m。试验装置如图1所示。 石针尖为三棱锥，微悬臂为矩形不锈钢微梁，其弹性系数为243 控制So州nt值 图1试验装置原理图 其加工过程如下：先由原子力显微镜扫描出一块平整区域，然后按