采用afm在液体环境下机械加工聚合物纳米结构实验概述

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1、采用AFM在液体环境下机械加工聚合物纳米结构实验概述第1章绪论1.1课题背景及目的和意义随着科学技术的飞速发展，应用在现代工业上的机械器件和机电系统正在变的越来越小，很多已经达到了纳米尺寸。因此纳米加工对实现这些设备和系统对社会的潜在利益是至关重要的。而基于尖端的纳米加工技术就是实现纳米材料制备的重中之重，这些由附着在微型悬臂上的纳米级针尖组成的探针，几乎可以实现所有种类的纳米加工，涵盖了从材料去除和材料改性到材料沉积和材料处理。更为重要的是，这种基于尖端的纳米加工技术，不仅可以通过传统的机械加工理论自上而下的创造纳米结构，它也可以为了实现创新的加工结果而从下往上的构建纳米组件。此

2、外，这种技术可以完全集成在半导体生产线上，从而在一个普通的化学或物理实验室就可以进行所有实验[1-3]。基于AFM的纳米刻划加工是一项简单而多样的材料去除技术，它最初只是单纯的机械作用，经过不断推进和发展，已经可以和热、电、化学等额外施加的能量进行相互作用，从而发展为多元加工过程。而且AFM可以在各种材料上加工出规则的二维、三维纳米结构，比如较硬的材料包括金属、陶瓷和半导体等，但更多的还是在较软材料上如生物材料、抗蚀剂以及聚合物等进行刻划，因为在刻划较软的材料时，选择普通硬度的单晶硅或者氮化硅探针就可以直接在样品表面进行微纳米结构的加工。而且由于AFM不受工作环境的制约，可以在空气

3、中、液体下甚至在真空环境中对导电和绝缘样品进行扫描检测成像或者纳米结构加工[4-6]。使得基于AFM探针的机械刻划方法逐渐成为纳米研究领域的重要方法。1.2AFM在液体环境下机械加工聚合物的研究现状AFM作为SPM的一种，发明之初主要是用其对样品表面形貌进行直接成像，然而随着研究的深入，有的学者发现在AFM探针和样品表面之间施加适当的力或者其它形式的场效应，探针会在样品表面诱发各种物理和化学过程，从而在聚合物表面形成规则的微纳米结构[11]。采用AFM加工纳米结构的方法主要有：通过针尖诱导进行局域氧化[12,13]、单分子和原子操纵[14,15]、蘸笔纳米刻蚀（DPN）[16,17

4、]以及机械刻划加工方法[18-20]等。上述几种加工方法中，每种都有其各自的优缺点，而采用AFM探针对样品材料直接进行机械加工，原理简单且对环境要求较低，因而得到了最为广泛的应用。通过变化对探针施加的垂直载荷的大小，既可以在较硬的材料如单晶铜、铝合金等表面上加工，也可以在较软的材料如有机薄膜、聚合物表面上加工。聚合物由于其特殊的结构特性和良好的加工性能，已经被广泛应用于防护涂料、电子设备和印刷技术等各个方面。而且聚合物材料自身比较软，使用一定硬度的AFM探针就可以在其表面进行加工，通过改变实验参数来获得理想的加工结果。采用AFM对聚合物进行机械加工过程中，探针针尖和样品表面之间有着

5、复杂的相互作用，它不仅取决于材料本身的性质，同时也与加工参数的选择有关。通过改变施加的力，针尖会在样品表面产生不同阶段的加工过程。当力比较小的时候，针尖与样品之间作用力较小，样品几乎没有磨损；当力增加时，针尖开始破坏样品表面，从而使得样品表面变得粗糙并产生隆起；当力继续变大时，针尖会压入样品表面的深度加深，从而加工出沟槽结构；当力足够大时，针尖开始去除样品表面的部分材料，加工出规则的微纳米结构。Kassavetis和Mitsakakis[21]采用AFM在聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethyleneterephthalate,PET）膜表面上机械加工，选择不同的垂直载荷在PET表

6、面加工出相应的一系列4个凹点，并研究了力与纳米结构的几何形状与面积尺寸的关系。如图1-1a）所示。第2章AFM加工聚合物摩擦力和弹性恢复实验研究2.1引言前人关于采用AFM在聚合物表面进行机械刻划的研究主要集中在实验设备、加工工艺以及加工结果上，对于加工过程中探针所受摩擦力和材料弹性恢复对加工结果尤其是加工深度影响的理论研究较少，而且随着加工深度的变化AFM探针的磨损也会随之发生变化。因此为了对AFM刻划深度和探针磨损进行理论分析，首先要研究加工过程中的探针所受摩擦力和材料弹性恢复的变化情况。基于此，本章主要采用AFM对聚合物进行机械加工，分别在空气中和液体下对PMMA和PC注塑板

7、进行微纳米结构加工实验。实验中采取单因素变量的方法，主要研究加工过程中探针所受摩擦力和材料弹性恢复随着垂直载荷的变化情况，对比分析不同加工环境（空气中和液体下）和不同材料样品（PMMA和PC）对实验结果的影响。.2.2实验设备和实验样品本实验所用微加工系统设备主要由原子力显微镜、高精度二维移动工作台、示波器以及用来信号处理的台式计算机组成，其搭建完成后的实验装置原理图如图2-1所示：采用美国Veeco公司生产的Dimension3100原子力显微镜。其由以下三个部分组