8/20/2024 纳米加工技术专题纳米加工技术专题Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 第第7章章 基于基于SPM的纳米加工技术的纳米加工技术1上次课主要内容1.超精密超精密表面质量检测包含哪些内容表面质量检测包含哪些内容2.表面粗糙度的主要测量方法与测量仪器表面粗糙度的主要测量方法与测量仪器3.表面粗糙度的三个高度参数表面粗糙度的三个高度参数4.超精密加工工艺研究中的表面粗糙度检测超精密加工工艺研究中的表面粗糙度检测5.纳米尺度标准样板纳米尺度标准样板6.SPM在超精密测试中的应用在超精密测试中的应用7.SPM在其他领域的应用在其他领域的应用8.纳米硬度测量的基本方法和仪器纳米硬度测量的基本方法和仪器28/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题1.从超精密加工到纳米加工从超精密加工到纳米加工2. 纳米加工机理：从有限元到分子动力学纳米加工机理：从有限元到分子动力学3. SPM纳米加工系统纳米加工系统4. SPM纳米加工工艺纳米加工工艺5. SPM加工工具：金刚石微探针技术加工工具：金刚石微探针技术6. 纳米加工实验纳米加工实验7. SPM的原子级加工（与测量）方法的原子级加工（与测量）方法 纳米加工技术研究内容纳米加工技术研究内容38/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题综述：从超精密加工（宏观）到纳米加工（微观）从超精密加工（宏观）到纳米加工（微观） ？精度的提高越来越难精度的提高越来越难 7.1 从超精密加工到纳米加工从超精密加工到纳米加工图图 7-1 影响微纳米加工表面形成的因素影响微纳米加工表面形成的因素48/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题超精密车削的超薄切屑超精密车削的超薄切屑 日本大阪大学的井川教日本大阪大学的井川教授和美国劳伦斯实验室的授和美国劳伦斯实验室的Donaldson等从等从1986年开始年开始合作进行的合作进行的“超精密切削超精密切削加工的极限加工的极限”的实验研究。的实验研究。切削实验的机床是劳伦斯切削实验的机床是劳伦斯实验室的超精密车床实验室的超精密车床PERLII，使用的刀具是特使用的刀具是特制的金刚石车刀。图制的金刚石车刀。图7-2是是在切削厚度为在切削厚度为1nm时切削时切削电镀铜得到的切屑的电镀铜得到的切屑的SEM照片照片 7.1 从超精密加工到纳米加工从超精密加工到纳米加工图图7-2 纳米切削图示纳米切削图示58/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题理论：有限元方法（FEM）模拟 从本世纪70年代，人们就开始用有限元方法模拟切削等加工过程。为了研究超精密加工机理，人们对传统的有限元模型进行了修改，提出了刚塑性FEM等新的模拟方法，其中有代表性的是日本Kobe大学的Toshimichi Moriwaki等人对铜的直直角角微切削过程进行的模拟。他提出了考虑切削刃钝圆半径的有限元模型来分析铜的超精密切削机理，并计算了切削热，研究了工件、刀具的温度分布。结果表明，加工的影响区随着rn/ap（刀具切削刃钝圆半径和背吃刀量的比值）的增加而扩大，切削阻力也与rn/ap成正比。 7.1 从超精密加工到纳米加工从超精密加工到纳米加工68/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题理论：理论：传统超精密加工理论：传统超精密加工理论： 从工艺角度出发从工艺角度出发 金属切削机理：工艺学金属切削机理：工艺学有限元模拟仿真：有限元模拟仿真： 模拟各种切削过程模拟各种切削过程 加工区域有限元、刀具有限元、热分析、剪切应力加工区域有限元、刀具有限元、热分析、剪切应力 7.1 从超精密加工到纳米加工从超精密加工到纳米加工78/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题存在的理论问题：存在的理论问题： 在超精密加工中，特别是达到纳米加工时，加工在超精密加工中，特别是达到纳米加工时，加工发生在很小的区域，该区域只包含数个原子层或数发生在很小的区域，该区域只包含数个原子层或数百个原子层。加工过程在本质上是原子的离散现象，百个原子层。加工过程在本质上是原子的离散现象，工件材料应看作是原子或分子的集合体，对加工过工件材料应看作是原子或分子的集合体，对加工过程采用建立在传统连续介质力学基础上的切削理论程采用建立在传统连续介质力学基础上的切削理论来解释显然是不合适的。来解释显然是不合适的。 FEMFEM模模拟拟对对研研究究宏宏观观切切削削现现象象是是行行之之有有效效的的，但但由由于于它它是是建建立立在在接接触触力力学学和和经经典典的的弹弹塑塑性性力力学学基基础础上上的的模模拟拟方方法法，所所以以不不适适合合用用来来研研究究纳纳米米加加工工过过程程中中的若干机理问题。的若干机理问题。 7.1 从超精密加工到纳米加工从超精密加工到纳米加工88/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.1 从超精密加工到纳米加工从超精密加工到纳米加工 图图7-3 特征尺度、时间尺度和相应的研究手段特征尺度、时间尺度和相应的研究手段98/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题其他因素： 另另一一方方面面，超超精精密密加加工工和和纳纳米米加加工工都都是是十十分分复复杂杂的的材材料料去去除除过过程程，超超精精密密加加工工机机床床必必须须有有高高的的稳稳定定性性，其其运运动动部部件件要要求求有有很很高高的的定定位位精精度度；加加工工刀刀具具必必须须有有稳稳定定加加工工的的能能力力；工工件件材材料料要要有有好好的的可可加加工工性性；并并且且还还要要选选择择合合适适的的加加工工条条件件，所所以以微微纳纳米米加加工工表表面面的的形形成成受受到到了了来来自自超超精精密密机机床床、刀刀具具、工工件件材材料料性性质质和和加加工工条条件等各方面线性和非线性因素的影响。件等各方面线性和非线性因素的影响。 7.1 从超精密加工到纳米加工从超精密加工到纳米加工108/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题除加工机理、加工模型以外：除加工机理、加工模型以外：机床：机床：刀具：刀具：加工工艺：加工工艺：因此：要从以上几个方面重新建立纳米加工理论因此：要从以上几个方面重新建立纳米加工理论 7.1 从超精密加工到纳米加工从超精密加工到纳米加工118/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题分子动力学模拟研究 由由于于分分子子动动力力学学模模拟拟可可以以直直观观地地模模拟拟超超精精密密加加工工过过程程，所所以以，目目前前世世界界上上很很多多国国家家都都开开展展了了分分子子动动力力学学模模拟拟对对超超精精密密加加工工机机理理的的研研究究工工作作。其其中中，美美国和日本在这方面的工作处于世界领先水平。国和日本在这方面的工作处于世界领先水平。 美美国国的的劳劳伦伦斯斯实实验验室室是是用用分分子子动动力力学学模模拟拟研研究究超超精精密密加加工工机机理理的的先先驱驱。起起初初，劳劳伦伦斯斯实实验验室室将将分分子子动动力力学学模模拟拟技技术术用用于于微微磨磨损损、微微观观压压痕痕与与微微硬硬度度的的研研究究，后后来来他他们们开开始始研研究究超超精精密密加加工工表表面面的的形形成成机机理理，1989年年，Hoover和和Stowers等等人人发发表表了了用用分分子子动动力力学学模模拟拟研研究究单单晶晶Cu加加工工表表面面的的微微摩摩擦擦问问题题的的论论文文，揭开了分子动力学模拟超精密加工过程研究的序幕。揭开了分子动力学模拟超精密加工过程研究的序幕。 7.2 纳米加工机理纳米加工机理128/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 进入90年代后，劳伦斯实验室的Belak 和Stowers在分析了金刚石刀具压痕实验和切削实验的表面微观形貌后，对金刚石铜（硅）界面进行了压痕和切削过程的分子动力学模拟，用EAM方法（嵌入原子法）计算铜原子的内聚力，用结合序列模型计算金刚石刀具中的碳原子与硅表面的共价作用，并提出了新的边界条件（如图1-3所示）。 模模拟拟了了用用金金刚刚石石刀刀具具对对单单晶晶铜铜（111）表表面面正正交交切切削削的的三三维维过过程程和和对对单单晶晶硅硅的的（001）表表面正交切削的二维过程面正交切削的二维过程 图7-4 分子动力学模拟边界条件 7.2 纳米加工机理纳米加工机理138/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 图7-5 单晶Cu纳米切削分子动力学模型 3nmChipToolR=0.5nm0.53nmWork material:CuCutting speed:10m/sDepthof cut:2.2 atomic layer(0.53nm)7.2 纳米加工机理纳米加工机理148/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 美美国国OklahomaOklahoma州州立立大大学学的的R. R. KomanduriKomanduri教教授授指指导导的的学学生生在在此此基基础础上上进进行行了了单单晶晶硅硅切切削削过过程程的的分分子子动动力力学学模模拟拟，分分子子间间作作用用力力的的计计算算采采用用的的是是 MorseMorse势势函函数数的的计计算算方方法法。他他的的模模拟拟是是在在主主频频为为333MHz333MHz的的 工工作作站站上上进进行行的的，研研究究的的重重点点是是刀刀具具几几何何形形状状对对纳纳米米加加工工的的作作用用。通通过过研研究究，发发现现大大切切削削刃刃钝钝圆圆半半径径（相相对对于于背背吃吃刀刀量量来来说说）和和负负前前角角在在硅硅等等脆脆性性材材料料的的纳纳米米加加工工过过程程中中对对塑塑性性变变形形区区的的产产生生有有益益，有有助助于于硅硅以以塑塑性性方方式式去去除除。他他们们对对第第二二代代分分子子动动力力学学模模型型进进行行了了算算法法上上的的改改进进，提提出出了了有有限限长长度度分分子子动动力力学学模模拟拟(LRMDS)(LRMDS)方方法法，在在一一定定程程度度上上提提高高了了模模拟拟计计算算速速度度。并并在在19991999年年的的CIRPCIRP上上发发表表了了单单晶晶铝铝加加工工过过程程分分子子动动力力学学模模拟拟的的文文章章，研研究究了了晶晶格格走走向向对对表表面面粗粗糙糙度度的的影影响响。此此后后他他们们还还建建立立单单晶晶铝铝的的纳纳米米压压痕痕和和微微刻刻划划的的分分子子动动力力学学模模型型，研研究了晶格的各向异性对微硬度和摩擦系数的影响。究了晶格的各向异性对微硬度和摩擦系数的影响。 7.2 纳米加工机理纳米加工机理158/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.2 纳米加工机理纳米加工机理图7-6 铜正交切削三维图像图7-7 硅正交切削图像168/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题牛顿层、恒温层和边界层三层 图7-8 纳米切削分子动力学模型Cutting direction切削刃Newton atomsThermostat atomsBoundary atoms7.2 纳米加工机理纳米加工机理178/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.2 纳米加工机理纳米加工机理Y三维纳米切削MD模型ZYXNewton atomsThermostatatomsBoundary atoms 图7-9 刀具纳米切削分子动力学模型18T=019T=3.4ps20T=6.8ps21T=10.2ps22T=13.6ps23T=17.0ps24T=20.4ps25T=23.8ps26T=27.2ps27T=30.6ps288/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 磨磨削削加加工工：建建立立该该模模型型时时认认为为，研研磨磨过过程程是是由由大大量量的的切切削削刃刃完完成成的的，每每个个切切削削刃刃可可看看成成一一个个压压头头。模模拟拟开开始始时时，压压头头以以一一定定的的速速度度压压入入工工件件，然然后后，压压头头又又以以一一定定的的速速度度向向前前水水平平移移动动，这这一一过过程程便便相相当当于于研研磨磨过过程程。他他们们通通过过这这一一模模型型，重重点点研研究了研磨过程中的堆积现象。究了研磨过程中的堆积现象。 7.2 纳米加工机理纳米加工机理 图7-10 磨削分子动力学模型298/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.2 纳米加工机理纳米加工机理 图7-11 纳米加工分子动力学模型308/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.2 纳米加工机理纳米加工机理 图7-12 纳米加工分子动力学模型318/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 一一般般来来讲讲，利利用用分分子子动动力力学学进进行行微微纳纳加加工工计计算算中中涉涉及及四四个个方方面面：即即系系统统模模型型的的建建立立、系系统统中中原原子子间间势势能能函函数数的的确确立立、原原子子经经典典运运动动方方程程的的选选择择和和实实验验条条件件的的模模拟拟。选选择择一一个个由由若若干干粒粒子子组组成成的的分分子子动动力力学学元元胞胞，加加上上边边界界条条件件就就可可以以构构成成其其一一般般模模型型；可可以以采采用用量量子子力力学学及及经经验验势势函函数数确确定定分分子子间间势势函函数数并并运运用用经经典典运运动动方方程进行仿真模拟计算。程进行仿真模拟计算。 7.2 纳米加工机理纳米加工机理328/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 但但是是利利用用分分子子动动力力学学仿仿真真模模拟拟纳纳米米加加工工过过程程，很很难难用用实实验验加加以以验验证证。这这主主要要是是因因为为受受计计算算机机运运算算速速度度和和容容量量的的限限制制，其其所所计计算算的的参参与与纳纳米米微微观观加加工工的的原原子子数数量量很很少少，而而实实际际纳纳米米加加工工中中的的去去除除量量仍仍然然较较大大，二二者者不在一个数量级；不在一个数量级； 因因此此解解决决的的方方法法之之一一是是采采用用大大容容量量计计算算机机提提高高纳纳米米加加工工仿仿真真的的运运算算速速度度，以以及及采采用用合合理理的的计计算算方方法法等等，使使满满足足大大量量的的原原子子计计算算，如如可可以以考考虑虑Monte Monte CarloCarlo方方法法来来提提高高模模拟拟的的速速度度。解解决决的的方方法法之之二二是是使使实实际际加加工工的的量量越越小小越越好好，使使能能够够利利用用测测量量实实验验来来验验证证。从从目目前前各各类类加加工工手手段段来来看看，只只有有扫扫描描探探针针显显微微镜镜（SPMSPM）加加工工可可以实现这一愿望。以实现这一愿望。 7.2 纳米加工机理纳米加工机理338/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.2 纳米加工机理纳米加工机理 图图7-13 多晶体与位错分析多晶体与位错分析348/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.2 纳米加工机理纳米加工机理 图图7-14 位错与弛豫分析位错与弛豫分析358/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.2 纳米加工机理纳米加工机理 图图7-15 不同载荷下的微加工不同载荷下的微加工垂直载荷15N/m2 垂直载荷25N/m2 垂直载荷40N/m2 368/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 用用SPMSPM对对加加工工后后的的超超光光滑滑表表面面或或产产生生的的切切屑屑进进行行检检测测，通通过过对对检检测测结结果果的的分分析析来来研研究究超超精精密密加加工工材材料料去去除除和和超超光光滑滑表表面面的的形形成成机机理理。美美国国、德德国国、日日本本、新新加加坡坡等等国国的的学学者者进进行行了了这这方方面面的的研研究究，其其中中较较有有代代表表性性的的是是美美国国OklahomaOklahoma州州立立大大学学的的 D. D. A. A. LuccaLucca教教授授，德德国国布布莱莱梅梅大大学学的的E. E. BrinksmeierBrinksmeier教教授授和和日日本本宇宇都都宫宫大大学学的的Yoshio Yoshio IchidaIchida等等人人所所进进行行的的研研究究工工作。作。 7.2 纳米加工机理纳米加工机理378/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 D. D. A. A. LuccaLucca教教授授在在对对CuCu进进行行超超精精密密直直角角切切削削后后，用用AFMAFM检检测测加加工工表表面面，发发现现切切削削厚厚度度在在某某一一区区间间时时，刀刀具具的的前前角角和和刀刀刃刃形形状状对对切切削削力力有有显显著著影影响响。他他还还用用AFMAFM检检测测了了不不同同刃刃口口几几何何形形状状的的金金刚刚石石车车刀刀对对单单晶晶铜铜超超精精密密加加工工后后的的表表面面，实实验验结结果果表表明明，当当切切削削厚厚度度在在几几个个微微米米以以下下时时，具具有有不不同同刃刃口口几几何何形形状状的的刀刀具具在在切切削削时时表表现现出出不不同同的的力力特特性性，但但这这种种差差异异对对塑塑性性变变形形层层的的深深度度却却无无影影响响。塑塑性性变变形形层层的的深深度度也也不不受受切切削削厚厚度度的的影影响响。通通过过用用AFMAFM对对刀刀具具的的测测量量，发发现现金金刚刚石刀具的磨损主要发生在后刀面。石刀具的磨损主要发生在后刀面。 7.2 纳米加工机理纳米加工机理388/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 E. E. BrinksmeierBrinksmeier教教授授对对用用金金刚刚石石车车刀刀加加工工后后的的铜铜和和单单晶晶硅硅，用用AFMAFM对对加加工工表表面面进进行行成成像像，研研究究结结果果表表明明，材材料料的的侧侧向向流流动动及及毛毛刺刺的的形形成成是是粗粗糙糙度度降降低低的的重重要要因因素素。对对铜铜来来说说，当当切切削削超超过过某某一一背背吃吃刀刀量量（2 2 m m）时时，切切削削力力会会分分为为三三个个等等级级，小小的的切切削削力力对对应应小小的的粗粗糙糙度度值值，大大的的切切削削力力对对应应大大的的粗粗糙糙度度值值，而而切切削削力力的的突突变变和和晶晶界界之之间间的的变变化化有有直直接接的的对对应应关关系系。单单晶晶硅硅在在加加工工过过程程中中存存在在临临界界背背吃吃刀刀量量，当当达达到到临临界界背背吃吃刀刀量量前前，材材料料以以塑塑性性的的方方式式去去除除，当当超超过过临临界背吃刀量后，开始出现脆性裂纹。界背吃刀量后，开始出现脆性裂纹。 7.2 纳米加工机理纳米加工机理398/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 Yoshio Yoshio IchidaIchida用用AFMAFM和和SEMSEM（扫扫描描电电镜镜）对对由由单单点点金金刚刚石石车车削削获获得得的的硅硅表表面面及及切切屑屑检检测测，研研究究了了切切削削速速度度对对硅硅在在切切削削状状态态中中的的脆脆塑塑转转变变行行为为的的影影响响。研研究究结结果果表表明明，硅硅在在加加工工中中存存在在脆脆塑塑转转变变的的临临界界背背吃吃刀刀量量，当当切切削削速速度度增增加加时时，临临界界背背吃吃刀刀量量也也在在增增加加，但但不不受受进进给给量量的的影影响响。此此外外，他他还还对对超超精精密密磨磨削削的的SiSi3 3N N4 4表表面面用用AFMAFM进进行行了了研研究究，认认为为磨磨削削表表面面的的形形貌貌受受到到磨磨粒粒边边缘缘深入晶面程度及磨削层不平度等因素的影响。深入晶面程度及磨削层不平度等因素的影响。 SPMSPM方法是一种有效的研究超精密加工机理的实验方法是一种有效的研究超精密加工机理的实验方法，但由于加工过程中很多因素的可控性差，并且方法，但由于加工过程中很多因素的可控性差，并且受外界环境影响较大，故在实验时仍存在一定的困难。受外界环境影响较大，故在实验时仍存在一定的困难。 7.2 纳米加工机理纳米加工机理408/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 利利用用SPMSPM进进行行纳纳米米加加工工机机理理研研究究的的主主要要目目的的是是可可以以实实现现与与分分子子动动力力学学目目前前计计算算量量相相符符合合的的最最小小去去除除量量，同同时时SPMSPM也也是是纳纳米米测测量量的的有有利利手手段段，这这也也有有利利于进行加工过程中的纳米尺度测量分析。于进行加工过程中的纳米尺度测量分析。 这这种种加加工工方方式式和和加加工工机机理理与与传传统统加加工工方方法法有有着着本本质质的的区区别别，可可以以起起到到传传统统超超精精密密加加工工所所无无法法达达到到的的效效果果，加加工工过过程程中中材材料料的的去去除除量量已已经经达达到到纳纳米米量量级级甚甚至至原原子子量量级级，如如何何创创立立新新的的纳纳米米加加工工理理论论并并去去解解释释和和指指导导纳纳米米加加工工是是一一个个新新的的问问题题；而而利利用用金金刚刚石石微微探探针针的的加加工工工工艺艺与与金金刚刚石石车车刀刀的的超超精精密密加加工工工工艺艺有有何何差差别别、加加工工参参数数与与加加工工条条件件如如何何选选取取等等问问题题尚尚有待于研究。有待于研究。 7.2 纳米加工机理纳米加工机理418/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题金刚石刀具金刚石刀具 纳米压头纳米压头 SPMSPM金刚石针尖金刚石针尖 超精密加工机床 扫描探针显微镜 全新的加工工艺全新的加工工艺 7.2 纳米加工机理纳米加工机理428/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题1. 原有扫描探针显微镜2. 增加三维运动系统3. 增加加工力伺服功能 7.3 SPM纳米加工系统纳米加工系统438/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.3 SPM纳米加工系统纳米加工系统 图7-16 SPM纳米加工系统448/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.3 SPM纳米加工系统纳米加工系统 图7-17 改进的SPM纳米加工系统458/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 AFMAFM处处于于接接触触摸摸式式下下，施施加加垂垂直直载载荷荷。扫扫描描陶陶管管与与微悬臂针尖实际上构成一个闭环系统。微悬臂针尖实际上构成一个闭环系统。 7.3 SPM纳米加工系统纳米加工系统 图7-18 AFM接触模式测量控制原理图接触模式测量控制原理图PI调节器扫描陶瓷管微悬臂PSD检测偏移量给定弯曲量eu468/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.3 SPM纳米加工系统纳米加工系统三维工作台（四象限）位置检测器激光器被加工样品Z向扫描陶管工作台控制器RS232接口微悬臂金刚石探针显微镜控制器及SAM单元显微镜计算机扫描探针显微镜系统三维工作台及控制系统 图7-19 基于SPM的微加工系统原理图XYZ反射镜工作台控制及主控计算机键盘及外设478/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题力控制技术： 7.3 SPM纳米加工系统纳米加工系统LbthdFzFxFyZXYA 图7-20 矩形微悬臂的受力状态及几何尺寸488/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.3 SPM纳米加工系统纳米加工系统A 图7-21 微悬臂的两种状态分别用实线和虚线表示498/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题加工悬臂 7.3 纳米加工系统纳米加工系统样品移动方向FzFx 图7-22 针尖的不同受力状态示意图PSDhh1h2StageCantileverCOAB508/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题与超精密加工类似：进给量进给量加工载荷加工载荷加工速度加工速度影响加工深度及表面粗糙度影响加工深度及表面粗糙度 7.4 纳米加工工艺纳米加工工艺518/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题图7-23加工工艺参数对加工深度和加工表面质量影响528/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.4 纳米加工工艺纳米加工工艺040.020.0020.040.0m刻划方向针尖b图7-24 针尖不同加工刃对加工结果的影响 a) b)538/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.4 纳米加工工艺纳米加工工艺图7-19 金刚石针尖对加工影响分析(a)(c)(b)dbca刻划方向图7-25 二维结构的两种不同加工方法刻划方向针尖样品针尖样品(a)(b)548/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.5 纳米加工探针纳米加工探针 图7-26 微探针切削状态图FzFxFyf558/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.5 纳米加工探针纳米加工探针 图7-27 加工边界与针尖的磨损568/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.5 纳米加工探针纳米加工探针横向距离 (nm)金刚石针尖轮廓nm2W图7-28 金刚石针尖磨损量的计算模型YSinitialSfinal578/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.5 纳米加工探针纳米加工探针 图7-29 SPM纳米金刚石针尖588/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 图7-30 磨损后金刚石针尖形状的不同视角的AFM三维图像 7.5 纳米加工探针纳米加工探针598/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.5 纳米加工探针纳米加工探针 金刚石针尖的切削棱边 在磨损后产生的内凹金刚石针尖磨损后产生的内凹 图7-31 磨损后的金刚石针尖608/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.5 纳米加工探针纳米加工探针图7-32 原子力显微镜金刚石针尖磨损的AFM高分辨率图象金刚石针尖磨损后产生的内凹 金刚石针尖的切削 棱边在磨损后产生 的内凹618/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题1.直方直方2.圆圆3.字母字母4.孔孔5.传感器传感器6.复杂图形复杂图形 7.6 纳米加工实验纳米加工实验628/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.6 纳米加工实验纳米加工实验轻载荷轻载荷加大载荷中间部分为微加工区域 7-33 AFM微加工及成像过程微加工及成像过程 a)微加工之前的表面成像 b) 增加垂直载荷进行微加工 c)微加工之后的表面成像针尖纵扫描方向 针尖切削方向针尖横扫描(切削时进给)方向638/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.6 纳米加工实验纳米加工实验 图7-34 哈尔滨工业大学的英文缩写648/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.6 纳米加工实验纳米加工实验 图7-35 加工的各种直方图形658/20/2024 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.6 纳米加工实验纳米加工实验 a b c d 图7-36 金刚石针尖对Si表面进行纳米加工实验668/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.6 纳米加工实验纳米加工实验 图7-37 加工的各种直方图形678/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.6 纳米加工实验纳米加工实验ZXYXZAA (a) (b) 图7-38靶球刻蚀后的立体图及其A-A截面的抛视图2.813m1.341mAFM 悬臂粘接剂 图5-2 SPM加工微孔及粘接胶位置示意图5m688/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.6 纳米加工实验纳米加工实验图7-39 圆形等复杂图形及其抛视图698/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.6 纳米加工实验纳米加工实验 图7-40 加工的各种圆图形708/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.6 纳米加工实验纳米加工实验 图7-41 加工的各种传感器718/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 图7-42 加工的齿轮的齿形 7.6 纳米加工实验纳米加工实验728/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题AFMAFM金刚石针尖纳米刻蚀金刚石针尖纳米刻蚀（上述加工实例）（上述加工实例）利利用用STMSTM进进行行单单原原子子操操纵纵：电电场场蒸蒸发发、电流激励等能量方式（下次课）电流激励等能量方式（下次课）基于基于STMSTM的恒高、恒流（隧道）模式的恒高、恒流（隧道）模式基基于于AFMAFM的的阳阳极极氧氧化化诱诱导导、动动态态耕耕犁犁刻刻蚀蚀、半接触模式等半接触模式等 7.7 SPM的原子级加工方法的原子级加工方法738/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.7 SPM的原子级加工方法的原子级加工方法 Xe原子搬迁图7-43 IBM字体的单原子操纵748/20/2024 Harbin Institute of Technology Harbin Institute of TechnologyPrecision Engineering Research Institute Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn SPM的发明初期是用于测量试件表面纳米级的形貌，但是在这些显微扫描探针的实际应用中人们逐渐发现可以通过探针操纵试件表面的单个原子，实现极限的精加工，即原子级的精密加工。 量子围栏 世界上最小的汉字 世界地图 7.7 SPM的原子级加工方法的原子级加工方法 图7-44 SPM纳米操纵加工图形758/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.7 SPM的原子级加工方法的原子级加工方法本原公司在石墨上写的本原公司在石墨上写的CASCAS字（字（ 1010nmnm线宽）线宽）图7-45 各种SPM的原子级加工图形的原子级加工图形768/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题STM刻蚀（STM Lithography) 7.7 SPM的原子级加工方法的原子级加工方法 图图7-46 隧道电流方法加工隧道电流方法加工文献：文献：Biosensor & Bioelectronics 11, 923 (1996). 778/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题阳极氧化（AFMOxidationLithography） 7.7 SPM的原子级加工方法的原子级加工方法 图图7-47阳极氧化方法加工阳极氧化方法加工1.Nanotechnology12,273(2001).2.1steuspentopicalconferenceonfabricationandmetrologyinnanotechnology.-Copenhagen,2000.V.1,.222-228.788/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.7 SPM的原子级加工方法的原子级加工方法AFM（硬探针）刻划方法硬探针）刻划方法图图7-48AFMLithography-Scratching1.Appl.Phys.Lett.,Vol.73,2051(1998).2.Appl.Phys.Lett.,Vol.73,2684(1998).3.Chem.Rev.97,1163(1997).798/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题7.7 SPM的原子级加工方法的原子级加工方法AFM Dynamic Plowing图图7-49定点编程动态耕犁刻蚀加工定点编程动态耕犁刻蚀加工1.J.Appl.Phys.85,3897(1999).2.Rev.Sci.Instrum.72,136(2001).808/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.7 SPM的原子级加工方法的原子级加工方法 图图7-50 定点编程动态耕犁刻蚀加工定点编程动态耕犁刻蚀加工818/20/2024图图7-51 各类各类 SPM的原子级加工图形的原子级加工图形Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.7 SPM的原子级加工方法的原子级加工方法828/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.7 SPM的原子级加工方法的原子级加工方法图图7-52半接触模式半接触模式Semicontactmode1.USPat.4724318.2.J.Appl.Phys.61,4723(1987).3.Appl.Phys.Lett.53,2400(1988).4.Phys.Rev.Lett.57,2403(1986).838/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.7 SPM的原子级加工方法的原子级加工方法半接触模式半接触模式 G Binnig 最最早早预预言言了了带带有有振振荡荡悬悬臂臂扫扫描描力力显显微微镜镜的的使使用用. 一一些些使使用用振振荡荡悬悬臂臂进进行行扫扫描描的的早早期期实实验验工工作作已已经经实实现。现。 使使用用这这种种振振荡荡模模式式下下的的悬悬臂臂来来扫扫描描样样品品表表面面并并不不是是非非接接触触的的，而而是是间间断断接接触触的的。相相应应的的扫扫描描力力显显微微镜镜操操作作模模式（间断接触模式）在实际中经常用到。式（间断接触模式）在实际中经常用到。 间断接触模式与直接接触模式相比有许多优点：首先，间断接触模式与直接接触模式相比有许多优点：首先，这种模式下悬臂的压力很小，因此这允许对软的、易破这种模式下悬臂的压力很小，因此这允许对软的、易破的材料如有机薄膜、生物试样进行扫描。半接触模式也的材料如有机薄膜、生物试样进行扫描。半接触模式也对相互作用表面有更高的灵敏度，能够给出所研究表面对相互作用表面有更高的灵敏度，能够给出所研究表面的许多特征，如磁场、电场分布、表面弹性和粘性。的许多特征，如磁场、电场分布、表面弹性和粘性。 848/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.7 SPM的原子级加工方法的原子级加工方法Mode:SemicontactmodeSPMModel:SolverP47-PROScansize:8x8mSourceMDT-file:LAONanolitographywasmadeonTifilminSemicontactmode.ImagecourtesyofS.Leesment,NT-MDTCo,Moscow,Russua.图图7-53半接触模式加半接触模式加工的工的MonaLisa858/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.7 SPM的原子级加工方法的原子级加工方法 图图7-54 STM恒电流模式加工恒电流模式加工石墨表面的石墨表面的 Parvo virus STM图象图象868/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题 7.7 SPM的原子级加工方法的原子级加工方法 图图7-55 STM恒高模式加工恒高模式加工878/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题SPM的原子级测量方法的原子级测量方法 图图7-56 测向力模式测向力模式(Lateral Force Mode)进行测量进行测量888/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题SPM的原子级测量方法的原子级测量方法 图图7-57 Force Modulation Mode测量硬度测量硬度US Pat. 5092163Nanotechnology 2,103,(1991)898/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题SPM的原子级测量方法的原子级测量方法 图图7-58 非接触模式（非接触模式（Non Contact Mode)908/20/2024Telephone:0451-86412534 E-mail: spmhit.edu.cn 纳米加工技术专题纳米加工技术专题小结小结：从超精密加工到纳米加工从超精密加工到纳米加工纳米加工机理纳米加工机理纳米加工系统纳米加工系统纳米加工工艺纳米加工工艺加工工具加工工具纳米加工实验纳米加工实验SPM的原子级加工的原子级加工 7.7 SPM的原子级加工方法的原子级加工方法91