微尺度特征结构上褶皱形貌的研究

摘要

软材料的表面褶皱研究越来越多的引起学术界的关注,尤其在软光刻方法、度量学和柔性电子器件等领域中。本文围绕微尺度特征结构上的薄膜褶皱的形貌调控进行了实验和仿真研究。论文主要包括以下的三部分内容,分别是褶皱形貌的制备调控和有限元屈曲分析、微沟槽特征结构加工的有限元切削模拟和用原子力显微镜碳纳米管探针在测量大纵深比侧壁时振动假象的消除机理分析。
　　通过热沉积的方法可以在软基底硬膜的系统上制得微尺度褶皱,通过实验成功制得了周期为5~15μm光栅状褶皱和锯齿状褶皱。通过对基底特征结构附近褶皱形貌的观察,发现在圆形特征结构附近,褶皱垂直于圆周;沟槽状特征结构附近,褶皱垂直于沟槽的边缘,并且沟槽内的褶皱具有非常好的周期稳定性和方向一致性。实验结果表明热沉积方法用于有特征结构软基底的时候,褶皱形成的方向往往垂直于特征结构的边缘。论文进一步通过有限元屈曲分析对薄膜的屈曲进行分析,计算了薄膜拉伸非线性屈曲的褶皱形貌规律,提出了一种软基底上金属薄膜褶皱的三维仿真的方法。
　　微尺度特征结构基底的加工制造,需要克服微尺度毛刺等关键加工工艺问题,微加工的理论模拟具有重要指导意义。论文通过有限元分析软件DEFORM,仿真了金刚石刀具在H62黄铜基底上加工不同形状微结构时的加工质量影响规律,分析了刀具参数、切削参数等多个参数对切削产生毛刺的影响,仿真结果表明前刀面张角的增大会使加工毛刺明显减弱,并对刻划梯形槽产生的毛刺进行了仿真分析。通过和前期实验结果进行对比分析,验证并进一步解释了微加工机理。
　　论文最后针对表面褶皱等样品的精密表征,研究了大纵深结构的精密测量。用原子力显微镜测量大纵深比侧壁时,碳纳米管探针由于双刚度系统及其末端横向刚度小的特点,容易产生振动假象。实验发现探针的扫描方向会影响假象的可叠加性和周期,并且通过假象的叠加发现假象满足在两条曲线(临界吸附曲线和临界脱离曲线)之间的振动,而临界吸附曲线和侧壁之间的吸附距离D服从着一定的规律。通过建立模型给出了D的计算方法,研究表明理论计算结果与样品的真实形貌具有很好的一致性,证明了本文中纳米管探针成像假象的机理分析具有很好的可靠性,对指导纳米管探针的优化制造具有重要意义。

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第一章 绪论

1.1聚合物微结构加工的研究现状

1.2褶皱结构的研究现状及应用前景

1.3课题的主要研究内容

第二章 Au/PDMS褶皱自组装图案的研究

2.1 PDMS性能和性质

2.2自组装褶皱图案的产生原因

2.3褶皱图案的实验研究

2.4薄膜褶皱的有限元分析

2.5本章小结

第三章 特征结构微刻划加工的有限元仿真分析

3.1微沟槽刻划毛刺的有限元仿真分析

3.2微刻划实验结果与仿真结果的对比

3.3本章小结

第四章 纳米管探针探测大纵深结构时假象的形成机理

4.1实验平台

4.2假象的特征和规律

4.3模型的建立和实验结果

4.4本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢