單晶硅的切向納動(dòng)研究.pdf

1、“納動(dòng)”是指相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位移幅值在納米量級(jí)的特殊摩擦運(yùn)動(dòng)方式，其接觸面積和載荷通常遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)微動(dòng)，普遍存在于微機(jī)電系統(tǒng)中。由于機(jī)械振動(dòng)、熱交換、流體運(yùn)動(dòng)和電磁震動(dòng)等引起的配合面納動(dòng)可造成接觸表面獨(dú)特的磨損，進(jìn)而引起微機(jī)電系統(tǒng)的松動(dòng)、咬合、信號(hào)失真、噪聲增加；或造成裂紋萌生、擴(kuò)展，使構(gòu)件使用壽命急劇降低。因此，微機(jī)電系統(tǒng)中的納動(dòng)損傷問(wèn)題已成為繼滑動(dòng)磨損、粘著破壞之后又一關(guān)鍵摩擦學(xué)問(wèn)題。
　　 本文針對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)中的納動(dòng)損傷問(wèn)題，利用

2、原子力顯微鏡，采用金剛石和二氧化硅球形探針系統(tǒng)地研究了單晶硅(100)的切向納動(dòng)運(yùn)行行為和損傷特性。研究過(guò)程中，首先提出了一種改進(jìn)的原子力顯微鏡切向力標(biāo)定方法，以精確標(biāo)定原子力顯微鏡的摩擦力測(cè)量系統(tǒng)；進(jìn)而采用金剛石針尖闡明了單晶硅納動(dòng)損傷模式的轉(zhuǎn)變過(guò)程，提出了損傷模式轉(zhuǎn)變的臨界條件；在此基礎(chǔ)上，采用球形SiO2針尖揭示了界面粘著、環(huán)境氣氛與單晶硅表面親/疏水性對(duì)Si(100)/SiO2納動(dòng)運(yùn)行和損傷的影響規(guī)律；最后系統(tǒng)分析了Si(100

3、)/SiO2納動(dòng)磨損的機(jī)理，著重強(qiáng)調(diào)了摩擦化學(xué)反應(yīng)在單晶硅納動(dòng)磨損中的作用。基于以上研究，本文得到以下主要結(jié)論：
　　 (1)在傳統(tǒng)楔形標(biāo)定法的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的原子力顯微鏡切向力標(biāo)定方法。該方法全面考察了摩擦力標(biāo)定系數(shù)隨標(biāo)定載荷的變化趨勢(shì)，選取高載下相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)作為最終的標(biāo)定結(jié)果，避免了低載標(biāo)定所引入的誤差，因此更加適合應(yīng)用于原子力顯微鏡的摩擦力標(biāo)定。該方法的建立為后續(xù)研究工作的開(kāi)展奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　 (2

4、)單晶硅的納動(dòng)損傷強(qiáng)烈地依賴于載荷和循環(huán)次數(shù)。隨載荷的增加或在一定載荷條件下隨循環(huán)次數(shù)的增加，納動(dòng)損傷先后經(jīng)歷了表面隆起、下陷和材料去除幾個(gè)階段。分析結(jié)果顯示，單晶硅的納動(dòng)損傷從表面隆起到下陷轉(zhuǎn)變對(duì)應(yīng)的臨界接觸應(yīng)力接近單晶硅的硬度。
　　 (3)隨著SiO2針尖和樣品間粘著力的增加，納動(dòng)的粘著區(qū)將會(huì)向高位移幅值方向移動(dòng)。在真空中，納動(dòng)運(yùn)行的摩擦力較低，單晶硅的納動(dòng)損傷以機(jī)械變形為主，表現(xiàn)為表面隆起的形成；而大氣下，納動(dòng)運(yùn)行的摩擦

5、力較高且隨循環(huán)次數(shù)的增加變化劇烈，納動(dòng)損傷以摩擦化學(xué)反應(yīng)為主導(dǎo)，表現(xiàn)為較深的溝槽。
　　 (4)單晶硅表面越親水，粘著力越大，納動(dòng)粘著區(qū)對(duì)應(yīng)的位移幅值區(qū)間越大。由于納動(dòng)過(guò)程中SiO2針尖的原位摩擦化學(xué)修飾，導(dǎo)致納動(dòng)后Si(100)/SiO2的粘著力和摩擦力下降。真空中的納動(dòng)損傷較輕微，表現(xiàn)為疏水硅和原始硅表面較低的隆起，以及親水硅表面較淺的凹陷。大氣環(huán)境下的納動(dòng)損傷較嚴(yán)重，表現(xiàn)為單晶硅表面較深的溝槽，且溝槽的深度隨單晶硅表面親水