纳米加工新方法
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虽然原子力显微镜本身的用途是微小尺度成像而不是加工,但它与压电式闭环工作台相结合,就能克服用于机械加工时其三个轴的行程范围和分辨力的限制。
据美国南卡罗莱纳大学机械工程系纳米结构与可靠性实验室负责人李晓东(音译)教授介绍,人们通常认为,制备纳米尺度的零件需要采用一种“自底向上(bottom-up)”的工艺方法,即通过添加材料——有可能是一个原子一个原子地添加——来形成零件。李博士说,“人们试图抛弃传统的‘自顶向下(top-down)’工艺方法,这种方法是通过去除材料来制备纳米尺度装置和零件。”
为了证明用CAD软件设计一种纳米装置,然后采用传统机械加工技术加工出纳米尺度零件及形貌的可行性,李博士和来自中国哈尔滨工业大学机电工程学院的研究人员一起,将一个压电式闭环纳米级精密工作台与一台原子力显微镜(AFM)集成到一起。据哈工大研究小组负责人、关于纳米尺度机械加工的论文作者之一董申教授介绍,虽然原子力显微镜本身的用途是微小尺度成像而不是加工,但它与压电式闭环工作台相结合,就能克服用于机械加工时其三个轴的行程范围和分辨力的限制。
董教授说,“由于需要反馈,因此这种系统称为闭环系统,它能以纳米分辨率将工作台从一个位置精确移动到另一个位置。”他指出,该工作台由德国PI(Physik Instrumente)公司制造,原子力显微镜则是美国Veeco仪器公司的产品。
为验证该精密工作台和原子力显微镜的加工能力,研究人员利用机械加工方法在表面粗糙度为Ra9.8nm的磨光铝盘样件上加工出了一个三维人脸图形(见图),其边框尺寸为20µm×20µm,凹凸高度为120nm。他们将一个圆弧半径为30nm的单晶金刚石刀尖安装在原子力显微镜的不锈钢悬臂上,然后模仿传统的数控机床加工,对工件表面进行刻划,使其产生塑性变形。

董申教授的数码照片(左)、相应的二维图像(中)以及在铝件上加工出来的纳米三维图形(右)
该系统除了可以加工金属材料外,还能加工聚合体和半导体材料。该工艺有3种材料去除模式:耕犁模式、楔入成形模式和会形成切屑的切削模式。研究人员介绍说,在确定加工模式时,进给率起到了重要作用,而采用切削模式是希望获得良好的表面光洁度。
李博士指出,加工获得的纳米结构的表面粗糙度可小至Ra4nm。以200nm的进给量进行切削时,可加工出尺寸一致的沟槽,尽管金刚石刀尖并不总是处在进给量为50nm和100nm的切削状态。在Z轴方向加工出的形貌尺寸可控制在纳米范围内,而在X轴和Y轴方向加工出的形貌尺寸则在0.5-100µm之间。
李博士表示,加工样件表面大约需要10分钟,而这对于一种具有商业应用价值的加工方法来说,时间显然太长。他补充说,该研究团队正试图实现大批量加工。为此,可以采用两种方法:一是在一个悬臂上安装多个金刚石刀尖,同时加工多个工件:二是加工一个模子(即印模),用来进行大批量的纳米拓印加工。
该研究团队还计划将“自顶向下”加工与“自底向上”加工(如在被加工表面沉积生长纳米线)结合起来,以充分利用这两种方法的优势,进一步增大制备出主动纳米装置和纳米结构的机会。李博士说,“多年来,在纳米制备领域,人们总是说‘我们不能只依赖一种方法,我们需要把各种方法结合起来,’我们正在使这种想法梦想成真。”
本文作者:张宪(译)
原载:《工具展望》2010年第3期
上载于:2011-7-4 9:46:14

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