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1、織構(gòu)化硅片表面的摩擦學(xué)行為研究劉舒鵬2015年1月中圖分類號(hào)：TH117UDC分類號(hào)：621織構(gòu)化硅片表面的摩擦學(xué)行為研究作者姓名劉舒鵬學(xué)院名稱機(jī)械與車輛學(xué)院指導(dǎo)教師王曉力教授答辯委員會(huì)主席王文中教授申請(qǐng)學(xué)位工學(xué)碩士學(xué)科專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論學(xué)位授予單位北京理工大學(xué)論文答辯日期2015年1月21日TribologicalPropertiesofTexturedSiliconSurfacesCandidateName：ShupengLiuSchoolorDepartment:MechanicalEngineerin
2、gFacultyMentor:Prof.XiaoliWangChair,ThesisCommittee：Prof.WenzhongWangDegreeApplied:MasterofPhilosophyMajor：MechanicalDesign&TheoryDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：21January，2015北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要隨著微納機(jī)械器件結(jié)構(gòu)尺寸的微型化，導(dǎo)致表面積與體積之比增大，表面效應(yīng)明顯增強(qiáng)，由此帶來(lái)嚴(yán)重
3、的粘著、摩擦和磨損問(wèn)題，影響了器件的工作性能和使用壽命，阻礙了微納機(jī)電系統(tǒng)(MEMS/NEMS)的發(fā)展和應(yīng)用。對(duì)MEMS/NEMS表面進(jìn)行織構(gòu)化處理，是解決這一問(wèn)題的有效途徑。為此，本文通過(guò)試驗(yàn)對(duì)微納尺度下織構(gòu)化硅片表面的摩擦學(xué)行為進(jìn)行了研究。本文主要工作和結(jié)論如下：通過(guò)光學(xué)光刻和電感耦合等離子體刻蝕技術(shù)在單晶硅(100)晶面上進(jìn)行了柱狀織構(gòu)的構(gòu)筑，分別使用掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡對(duì)織構(gòu)化硅片表面進(jìn)行了形貌表征。觀測(cè)結(jié)果表明：在硅片表面上形成了較為規(guī)則的圓柱陣列。當(dāng)相鄰織構(gòu)間的距離保持不變，而直徑逐漸增大
4、時(shí)，織構(gòu)覆蓋率及表面均方根粗糙度均隨之增大。使用配備有膠狀探針的原子力顯微鏡進(jìn)行了粘著試驗(yàn)，分別在室溫下的大氣和去離子水環(huán)境中對(duì)粘著力進(jìn)行了測(cè)量，考察了柱狀織構(gòu)對(duì)硅片表面粘著行為產(chǎn)生的影響。測(cè)量結(jié)果表明：柱狀織構(gòu)起到了顯著的減粘作用，同時(shí)降低了范德華力和毛細(xì)力的大小。當(dāng)間距一定時(shí)，具有較小直徑的織構(gòu)面更有利于粘著力的減小。另外，毛細(xì)力對(duì)表面粘著力的貢獻(xiàn)處于重要地位。使用膠狀探針在原子力顯微鏡下進(jìn)行了摩擦試驗(yàn)，研究了織構(gòu)化硅片表面的摩擦行為。試驗(yàn)結(jié)果表明：柱狀織構(gòu)減小了探針與硅片表面之間的滑動(dòng)摩擦力。同樣地，當(dāng)
5、織構(gòu)的間距一定時(shí)，直徑越小表面上的摩擦力也越小。此外，通過(guò)改變?cè)囼?yàn)中的載荷和滑動(dòng)速度還發(fā)現(xiàn)：織構(gòu)化表面上的摩擦力隨著載荷以及滑動(dòng)速度的增大而增大，而相對(duì)摩擦系數(shù)隨著載荷的增大而降低。使用原子力顯微鏡測(cè)量硅片表面形貌，對(duì)多尺度特性進(jìn)行了研究，并建立了粗糙表面接觸的多尺度模型，探究了表面間的真實(shí)接觸面積與尺度數(shù)之間的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)尺度越來(lái)越小時(shí)，越來(lái)越多更小尺度下的粗糙峰開(kāi)始出現(xiàn)，表面間的真實(shí)接觸面積隨著尺度數(shù)的增加而不斷減小。關(guān)鍵詞：硅片；表面織構(gòu)；原子力顯微鏡；粘著；摩擦；多尺度I北京理工大學(xué)碩士學(xué)位
6、論文AbstractWiththeminiaturizationofstructuraldimensionofmicro/nano-sizedmechanicaldevices,surface-to-volumeratioincreases,andthussurfaceeffectsbecomemarkedlyenhanced.Asaresult,seriousadhesion,frictionandwearproblemsleadtopoorworkingperformance,reduceservicel
7、ifeandhinderthedevelopmentandapplicationofmicro/nano-electro-mechanicalsystems(MEMS/NEMS).SurfacetexturingisaneffectivewaytosolvetheproblemsforMEMS/NEMS.Therefore,inthispaperthetribologicalpropertiesoftexturedsiliconsurfacesinmicro/nano-scalearestudiedthrou
8、ghexperiments.Themainworkandconclusionsareasfollows:ThepillartexturesarepreparedonaSi(100)singlecrystalviaopticallithographyandinductivelycoupledplasmaetching.Themorphologiesoftexturedsiliconsurfacesar
