光学石英玻璃在超精密加工过程中的纳观物化行为研究

摘要

光学石英玻璃为各项同性的非晶态固体材料，因其在结构和性能上具有高度均匀性、特定且精确的光学常数、良好的透明性、耐高温、耐腐蚀以及高强度和硬度等特点，被广泛运用在光学领域，是美国的国家点火设施（NIF）和中国重大惯性约束核聚变项目（ICF）—神光工程激光装置中透镜、防溅射片和衍射镜等光学元件的主要制作材料。石英玻璃在广泛应用的同时，由于其硬度大、脆性大、断裂韧性低，使其成为典型的难加工材料之一，加工过程中很容易产生表面/亚表面加工缺陷，如磨削加工中的烧伤、研磨过程中的微裂纹和亚表面致密化等，使其很难形成纳米级的光学表面，严重影响光学系统的稳定性、透光率和使用寿命等重要性能指标。 目前石英玻璃的主要加工方式是超精密磨削、研磨后化学机械抛光（CMP）。通过抛光能有效的去除磨削过程带来的损伤，提高表面质量，抛光后的表面精度能够达到纳米级。CMP是具有复杂的机械，化学，热等多因素耦合的过程，表面材料在微观尺度被去除，很难通过单纯的实验来研究CMP过程中的物化行为。本文利用分子动力学模拟，引入化学反应力场（ReaxFF）对化学作用进行描述，对石英玻璃的材料去除机理进行研究。首先利用MD技术将石英晶体升温至4000K后退火制备了石英玻璃模型，并通过典型特征量的对比验证了模型的准确性。建立了石英玻璃-水界面反应模型，结果表明水在石英玻璃表面存在分子吸附和解离吸附，其中解离吸附是石英玻璃表面羟基化的关键。建立了石英玻璃在水环境下的CMP模型，结果表明磨粒和石英玻璃在接触滑移的过程中通过脱氢反应和脱羟基反应在界面形成Si-O-Si键，在多个Si-O-Si键和亚表面H质子的协同作用下，表面原子同基底之间的化学键被拉断，从而实现表面原子的去除。 加工参数对石英玻璃在超精密加工过程中的微观物化行为有很大影响。在石英玻璃CMP过程中，界面压力，抛光速度，抛光液成分等因素都会影响界面Si-O-Si键的数量，从而影响表面原子的去除。模拟结果表明，界面Si-O-Si键和亚表面H质子的数量越多，石英玻璃表层被去除的原子数目越多。界面Si-O-Si键的形成对材料的去除形式也有一定影响，石英玻璃表面原子在不同的加工参数下存在单原子去除形式，链式去除形式以及团簇去除等形式。本文还对温度对石英玻璃的加工性能的影响进行了探究，当温度从300K增加到1500K，石英玻璃的硬度下降了53.6%，其塑性域范围从纳米级（9.46nm）增加到微米级（234.87nm），亚表面损伤演变更有利于后续去除。 最后对KOH和H2O2改性后的石英玻璃进行纳米压/划痕实验来验证石英玻璃表面化学状态对其加工性能的影响，对不同腐蚀程度的石英玻璃的硬度、弹性模量以及刻划后的表面形貌、划痕形貌进行了分析，结果显示5%H2O2溶液能够有效的降低石英玻璃表面的硬度，提高其加工性能。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题的来源、研究背景和意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 课题的研究背景和意义

1.2 脆硬材料塑性域加工技术

1.3 化学机械抛光技术

1.3.1 化学机械抛光技术简介

1.3.2 石英玻璃CMP加工研究现状

1.4 分子动力学仿真技术

1.4.1 传统分子动力学方法研究材料加工性能现状

1.4.2 基于化学反应分子动力学方法的研究进展

1.4.3 分子动力学模拟方法存在的问题

1.5 本文的主要工作

2 分子动力学技术原理

2.1 引言

2.2 分子动力学的原理和参数设置

2.2.1 分子动力学的基本原理

2.2.2 系综的选择

2.2.3 传统分子动力学的势能函数

2.2.4 ReaxFF反应力场

2.2.5 边界条件的设定

2.2.6 时间步长的选取

2.3 分子动力学仿真软件

2.4 本章小结

3 石英玻璃在CMP过程中材料去除机理研究

3.1 研究目标和方法

3.2 ReaxFF力场的选取

3.3 适用于化学反应的仿真模型的建立

3.3.1 石英玻璃和水MD仿真模型的建立

3.3.2 石英玻璃和水模型的验证

3.4 石英玻璃和水相互作用

3.4.1 石英玻璃和水界面反应模型的建立

3.4.2 石英玻璃表面羟基化过程

3.5 石英玻璃表面原子在CMP中去除过程

3.5.1 石英玻璃水环境下划擦模型的建立

3.5.2 界面Si-O-Si键的形成机理

3.5.3 石英玻璃表面原子去除过程

3.5.4 多个Si-O-Si键协同作用

3.6 本章小结

4 加工参数对石英玻璃纳观物化行为的影响

4.1 界面压力的影响

4.1.1 模拟参数设置

4.1.2 界面压力对材料去除率的影响

4.1.3 界面压力对材料去除形式的影响

4.2 抛光速度的影响

4.2.1 模拟参数的设置

4.2.2 抛光速度对材料去除率的影响

4.2.3 抛光速度对材料去除形式的影响

4.3 石英玻璃表面化学状态的影响

4.3.1 模型建立和模拟参数的设置

4.3.2 石英玻璃表面化学状态对材料去除率的影响

4.3.3 石英玻璃表面化学状态对界面Si-O-Si键的影响

4.3.4 石英玻璃表面化学状态对材料去除形式的影响

4.4 温度对石英玻璃超精密加工的影响

4.4.1 纳米压痕模型的建立和模拟参数的设置

4.4.2 温度对石英玻璃力学性能的影响

4.4.3 温度对石英玻璃塑性域范围的影响

4.4.4 温度对石英玻璃亚表面损伤变化的影响

4.5 本章小结

5 石英玻璃表面化学状态对加工性能影响的实验研究

5.1 研究目标和方法

5.2 实验准备和实验方案

5.2.1 纳米压痕、划痕测试原理和设备

5.2.2 石英玻璃试件的准备

5.2.3 实验方案

5.3 纳米压痕实验结果分析

5.4 纳米划痕实验结果分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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