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基于SPM的纳米电刻蚀加工实验和机理研究-机械制造及其自动化专业论文

上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下, 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 年 月 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定, 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版, 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 必威体育官网网址□,在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于  不必威体育官网网址□。 (请在以上方框内打“√”) 学位论文作者签名: 指导教师签名: 日期: 年 月 日 日期: 年 月 日 摘要 基于 SPM 的纳米电刻蚀加工实验和机理研究 摘要 基于 SPM(Scanning Probe Microscope,扫描探针显微镜)的纳米电刻蚀加工技 术具有成本低,操作灵活,精度高,加工尺寸可控,加工去除能力与材料强度和硬 度无关等优势,适用于各种金属,非金属导体和半导体材料表面的纳米尺度加工和 改性,因此在纳米尺度器件的加工领域中具有广阔的应用前景。目前该加工方法尚 处于实验室研究阶段,还需要进行大量相关的基础实验和机理研究才能可靠和高效 地应用于实际纳米尺度结构的加工中。本文针对基于 SPM 的电刻蚀加工方法进行了 系统的实验 研究和 相 关的机理研 究,分 别 采用了 STM ( Scanning Tunneling Microscope,扫描隧道显微镜)和 AFM(Atomic Force Microscope,原子力显微镜) 两种系统装置,致力于解决三方面的关键性问题,即研究基于 SPM 纳米电刻蚀加工 方法在加工石墨样品中的实验规律,优化加工参数,从而提高加工的可控性,成像 精度,加工效率和加工稳定性;有效区分基于 SPM 纳米电刻蚀加工方法在电化学和 放电两种原理下进行加工的实验条件,从而在指定加工原理下获得可控的纳米结构; 探究材料加工蚀除的微观过程,对局域纳米加工间隙中的电场和热场分布进行有限 元计算和分析,并且采用分子动力学方法对基于放电原理的加工中热源作用下材料 蚀除过程的原子运动轨迹进行模拟。主要完成的工作有以下几个方面: 1. 采用基于 STM 的电刻蚀加工方法在大气环境中对石墨样品表面进行了系统 的加工实验研究,加工间隙控制在 0.6 nm 至 3 nm 间。在样品正极性下可以进行样 品材料的蚀除加工和改性,而在样品负极性下,样品表面材料无法被去除或改性, 但是可以对针尖进行尖锐化的修整,有效地提高针尖的使用寿命。实验还研究了加 工偏压幅值,脉宽,加工间距,针尖几何构型,大气湿度等加工参数对电刻蚀加工 结果的影响规律,同时通过研究加工过程中检测出的实时电流来进一步地分析加工 状态和机理。在加工实验中可以获得深径比为 0.04~0.4 的蚀坑结构,其中加工获得 最小尺寸的蚀坑直径为 10 nm,深度约为 1 nm。而加工获得最浅线槽结构的深度约 为 1 nm,相当于几个石墨片层的厚度。 2. 采用基于 AFM 的电刻蚀加工方法在大气环境中对石墨样品表面进行了系统 第I页 摘要 的加工实验研究,针尖和样品间处于接触模式下,相互作用力控制在 10 nN 以内。 在样品正极性下,对 AFM 探针几何构型,加工偏压幅值,加工速度和大气湿度等 过程参数进行了系统的实验研究。这种加工方式不仅可以获得各种尺寸的纳米蚀坑 和蚀槽结构,还可以在电化学原理下可控地获得凸起或凹陷的纳米线结构,其中线 凸起结构具有绝缘特性,加工宽度约为 40~60 nm,高度约为 1~3 nm。并且检测出 电化学和放电原理下的实时电加工电流具有明显差异。还对比了基于 STM 和 AFM 两种电刻蚀加工方法的特点,加工精度以及针尖寿命等。 3. 通过 J.G. Simmons 的通用计算公式获得了纳米尺度加工间隙中的电流密度- 电压曲线,结合实验加工结果,获得了不同原理加工区域的加工电流密度阈值,并 由此得到不同加工间隙下的加工电压阈值。并且采用有限元方法对基于 SPM 的纳米 电刻蚀加工进行建模,计算得到不同针尖几何构型下纳米尺度间隙中的电场分布, 获得了最佳电加工状态下的针尖曲率半径值。还通过有限元热电耦合计算获得了样 品表面的温度场分布,并根据相变计算结果估算出纳米放电加工中,不同的加工偏 压,加工间隙,针尖几何构型和样品材料下局域材料蚀除量的大小。将有限元模拟 预测结果与

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