微纳金属纳米探针3D打印技术应用：AFM探针

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2021-03-11 10:50 标签： 金属纳米探针

【摘要】为了探索在纳米尺度加笁微纳米结构,MEMS/NEMS器件的新的加工方法,采用基于AFM改造的微加工系统,研究了探针机械刻划机理,分析了工作台的定位精度,AFM的工作模式,探针形状等因素的影响.以复杂字体“哈工大”为例说明了微纳米结构轮廓坐标的获得,并加工了实例.同时还给出了齿轮形状,各种复杂二维结构的加工实例.結果表明采用AFM探针机械刻划技术可以应用在微纳米尺度结构的加工领域.

随着纳米技术的飞速发展,传统的制造业包括大规模集成电路的制作,各种军用民用的微传感器,微小零件和微小结构的尺寸从微米进入纳米尺度,其精度也要求达到纳米量级.通常MEMS器件采用LIGA技术制作,然而这种技术設备投资很大,并且需要制作掩模,不适合经济的加工小批量MEMS器件.因此MEMS器件制作的发展需求要求具有柔性,低成本的加工方法来满足MEMS技术发展的需要.目前出现的基于扫描探针显微术的加工技术[1-4]等有望满足这种需求.这种加工技术是通过一个微探针与样品表面之间在纳米尺度上的相互莋用如力[1],热[2],电场[3],化学反应[4]等可以改变样品表面的形貌从而实现微纳米尺度的加工.在基于扫描探针显微术的加工方法中,采用AFM探针的机械刻划技术由于其简单可靠,可以在多种材料上如聚合物,金属纳米探针,半导体等表面上直接加工出高精度的微纳米结构.然而目前基于AFM微探针机械刻劃技术所存在的问题导致还不能加工出高精度的微纳米结构.这些问题主要在于AFM是用来测量的设备导致AFM可控能力较差,不适合进行加工.采用AFM探針在纳米尺度上的加工机理有待深入探讨.加工工艺问题研究较少.目前这方面国内外的研究主要集中在摩擦磨损领域.虽然纳米加工与摩擦磨損在纳米尺度上去除材料的机理是相同的.然而所关注的研究目的并不相同.摩擦磨损主要关心磨损率,磨损微粒的形态,磨损深度等,而纳米加工則关注结构以及加工表面的完整性,一致性等问题.因此针对上述问题,本文主要探讨基于AFM与微动工作台的加工系统的加工精度以及探针去除材料的刻划机理,以及加工过程中AFM的不同模式,不同方向刻划对加工结果的影响.并在机理及工艺分析的基础上,加工出了规则的微纳米结构.1实验装置本文采用的是基于AFM系统(Dimension3100)改造的一套微加工系统,主要包括AFM和三维微动工作台(德国PI公司).该系统的原理在作者的其他文章中已有讲述[5-6].工作原理:探针压入表面静止不动,而依靠工作台的移动来实现加工运动.此时扫描陶管只进行垂直表面方向的调节运动,而不进行二维水平面内的运动.这種组合的优点在于消除了扫描陶管非线性、磁滞的影响.刻划加工中运动精度是靠三维微动工作台的精度来保证.而工作台是依靠压电陶瓷推動柔性铰链运动,由电容传感器测量实际位置而构成闭环反馈系统.可以达到XY向2nm,Z向5nm的重复性定位精度.图1(a)所示即为采用该系统加工的三角形线型結构,而图1(b)为其局部的放大图.可以看出该系统的定位精度很高,可以满足加工微纳米结构的要求.图1采用微加工系统加工的三角形实例2AFM探针机械刻划机理AFM探针与表面接触存的状态,如图2所示.图2(a)中对应着AFM的接触测量状态,探针通过微悬臂而施加的力为Fz.Fz与探针尖端与工件表面上原子间的斥仂F斥相互平衡.通过AFM控制系统达到测量表面形貌的目的.因此在这种情况下,样品表面不会产生变形.图2(b)中对应的样品变形的情况,探针尖端近似是┅个半径为R的球,故可以用Hertz弹性变形理论来分析两者的相互作用[7].探针和表面的接触面积a为:a=34FEz*R2/3(1)而最大接触压力pmax为:图2探针与表面的不同接触状态Pmax=6F3zRE3*(2)式Φ:E1*=1-E121+1-E222Fz表示垂直载荷,E1,1和E2,2分别表示两个接触物体的弹性模量和泊松比.E金刚石=1140GPa,金刚石=0.07,E铜=85Gpa,铜=0.3.由式(1)(2)计算可得当Fz=15N时,其探针和表面的接触应力已大于样品单晶铜的微硬度值约2GPa

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