机械加工中纳米晶体产生.docx

2016年春季学期研究生课程考核
(读书报告、研究报告)
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机械加工过程中纳米晶体的产生

纳米加工技术可以分为两大类。一类是设法降低物质结构维度——“由上而下的方法,top down”,即采用物理和化学方法对宏观物质进行超细化,为此必须利用基于从连续系统物理学向准连续系统和量子物理学转变的新机制。这类方法通过选择性地去除本体或薄膜材料来加工纳米结构,与微加工技术类似。一些典型的加工方法有:宏观机械加工技术利用金刚石刀具、磨粒对工件材料进行超精密切削、磨削和抛光[1];电子束纳米光刻技术利用电子束在涂有电子抗蚀剂的基体材料上直接描画或投影复印图形,可以获得高分辨率的抗蚀剂曝光图形[2];纳米压印技术通过模版将图形转移到相应的衬底上,通过热压或者辐照等方法使其结构硬化从而保留转移的图形[3];基于扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,SPM)的纳米加工技术,如单原子操纵的原子级加工、阳极氧化、浸笔印刷以及机械刻蚀加工[4],利用针尖与样品之间高度局域化的力、电、磁及光等场,在针尖所对应的样品表面微小区域产生结构性缺陷、相变、化学反应、吸附质移位等干扰,并诱导化学沉积和腐蚀,从而实现原子、分子尺度的加工和操作。
另一类是利用自组装将原子或分子组装成系统——“由下而上的方法,bottom up”,即基于分子间非共价键弱化作用的超分子、有机分子及其他结构单元在一定条件下自发地通过非共价键缔结成为具有确定结构的点、线、单分子层、多层膜、块、囊泡、胶束、微管、小棒等各种形态的功能体系。这一类全新的纳米加工技术以“由小到大”、“由下至上”这样的过程为特征,其典型代表是自组装技术
[5]。自组装技术将可以利用的基础材料拓展到分子层次,可以合成结构上多样、性能上丰富多彩的材料,可能对应用自组装材料的相关领域产生促进作用,并且代表着一类全新的加工制造技术。自组装技术的最大特点是,自组装过程一旦开始,将自动进行到某个预期的终点,即使是形成复杂的功能体系也不需要外力的作用。除了自组装技术外,物理、化学气相薄膜沉积也是一种由下而上的纳米加工技术,它通过入射原子在基体表面的迁徙、成核、长大形成核岛等过程,最终在基体表面形成连续的薄膜[6]。

纳米机械加工技术具有原理简单、应用广泛的特点,是一种重要的由上而下的纳米加工技术。典型的纳米机械加工技术包括金刚石刀具车削、金刚石磨粒加工以及金刚石微探针纳米刻划。上个世纪 80 年代,日本大阪大学和美国劳伦斯实验室开展了超精密切削加工极限的实验研究,使用单点金刚石刀具直角车削电镀铜,实现了切削厚度为 1nm 的稳定切削。Takeuchi 在玻璃表面进行极薄切削,加工出直径仅为 1mm 的三维人脸[7]。Gao 等使用金刚石刀具车削和快刀伺服在铝合金上加工出了空间波长为 100µm、振幅为 100nm 的大面积正弦波栅格表面[1]。Chen等使用单点金刚石刀具车削和慢刀伺服在SU-8光刻胶薄膜上加工出了连续三维结构,并通过反应离子刻蚀将三维结构图案精确地复制到硅基体上[8]。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所采用弹性顶针式光