基于AFM敲击模式在聚合物表面的纳米结构加工实验研究

摘要

原子力显微镜(AFM)因其加工检测一体化、高精度和高分辨率等特性,现在被广泛的作为一种新的加工方式研究。AFM加工根据其加工方式可分为接触模式加工和敲击模式加工,相比于接触模式,敲击模式具有加工结果受加工方向影响小,适用于多种聚合物表面加工的优点。本文主要研究敲击模式下AFM单晶硅探针在聚碳酸酯(PC)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)表面的加工。主要开展如下工作:
　　首先,建立线性阻尼振动模型,利用Matlab仿真探针与样品表面之间的作用关系,得到激励电压、针尖半径、激励频率、探针悬臂的弹性系数以及样品弹性模量对针尖压入深度、探针与样品间最大作用力和最大压应力的影响,得到使聚合物表面形成塑性变形的条件,找到可方便控制加工深度的参数,为具体的加工实验提供指导。
　　其次,AFM敲击模式下在PC表面加工矩形区域时会形成规则凸起,而凸起原因不清楚。在实验中发现,AFM敲击模式下加工一条线段时,形成凸起体积大于凹坑体积,所以猜测加工矩形区域形成凸起的原因是多条线段叠加造成的,为了验证此猜测,用仿真与实验相结合的方式,分析不同步进条件下所形成凸起结构,得到凸起结构形成原因。
　　最后,利用 AFM自身系统,根据加工以及实验需要,编制所需特定轨迹程序。在此基础上,研究加工速度、激励电压和步进对加工聚合物结果的影响,并分析其原因。发现不同的激励电压导致针尖在聚合物表面不同的切削形式,激励电压较小时,材料堆积在凹槽两侧,激励电压较大时,针尖在聚合物表面形成切削,切屑堆积在加工轨迹末端。并最终在多种聚合物上加工出具有纳米尺寸的规则图形。

目录

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题背景及目的和意义

1.2 AFM机械刻划方式在聚合物表面加工的研究现状

1.3 本课题主要研究内容

第 2 章AFM敲击模式的模拟仿真分析

2.1引言

2.2 AFM敲击模式的模型建立

2.3 AFM敲击过程的仿真结果与分析

2.4 本章小结

第 3 章AFM敲击模式加工聚合物样品表面凸起结构 的机理研究

3.1 引言

3.2实验装置与加工路径设置

3.3 加工结果模拟仿真

3.4实验结果分析

3.5在其它聚合物表面的凸起现象

3.6 本章小结

第 4 章AFM敲击模式下聚合物表面微结构加工工艺 研究

4.1 引言

4.2敲击模式下纳米加工实验过程

4.3 AFM敲击模式下加工路径编辑

4.4 AFM敲击模式下在PMMA 样品表面加工工艺实验分析

4.5 规则结构纳米加工实例

4.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

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致 谢