據(jù)美國(guó)南卡羅萊納大學(xué)機(jī)械工程系納米結(jié)構(gòu)與可靠性實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人李曉東教授介紹,人們通常認(rèn)為,制備納米尺度的零件需要采用一種“自底向上”的工藝方法,即通過(guò)添加材料——有可能是一個(gè)原子一個(gè)原子地添加——來(lái)形成零件。李博士說(shuō),“人們?cè)噲D拋棄傳統(tǒng)的‘自頂向下’工藝方法,這種方法是通過(guò)去除材料來(lái)制備納米尺度裝置和零件。”
為了證明用CAD軟件設(shè)計(jì)一種納米裝置,然后采用傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)加工出納米尺度零件及形貌的可行性,李博士和來(lái)自中國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的 研究 人員一起,將一個(gè)壓電式閉環(huán)納米級(jí)精密工作臺(tái)與一臺(tái)原子力顯微鏡(AFM)集成到一起。據(jù)哈工大 研究 小組負(fù)責(zé)人、關(guān)于納米尺度機(jī)械加工的論文作者之一董申教授介紹,雖然原子力顯微鏡本身的用途是微小尺度成像而不是加工,但它與壓電式閉環(huán)工作臺(tái)相結(jié)合,就能克服用于機(jī)械加工時(shí)其三個(gè)軸的行程范圍和分辨力的限制。
由于需要反饋,因此這種系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng),它能以納米分辨率將工作臺(tái)從一個(gè)位置精確移動(dòng)到另一個(gè)位置。
為了驗(yàn)證該精密工作臺(tái)和原子力顯微鏡的加工能力, 研究 人員利用機(jī)械加工方法在表面粗糙度為Ra9.8nm的磨光鋁盤(pán)樣件上加工出了一個(gè)三維人臉圖形,其邊框尺寸為20μm×20μm,凹凸高度為120nm。他們將一個(gè)圓弧半徑為30nm的單晶金剛石刀尖安裝在原子力顯微鏡的不銹鋼懸臂上,然后模仿傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床加工,對(duì)工件表面進(jìn)行刻劃,使其產(chǎn)生塑性變形。
該系統(tǒng)除了可以加工金屬材料外,還能加工聚合體和半導(dǎo)體材料。該工藝有3種材料去除模式:耕犁模式、楔入成形模式和會(huì)形成切屑的切削模式。 研究 人員介紹說(shuō),在確定加工模式時(shí),進(jìn)給率起到了重要作用,而采用切削模式是希望獲得良好的表面光潔度。
李博士指出,加工獲得的納米結(jié)構(gòu)的表面粗糙度可小至Ra4nm。以200nm的進(jìn)給量進(jìn)行切削時(shí),可加工出尺寸一致的溝槽,盡管金剛石刀尖并不總是處在進(jìn)給量為50nm和100nm的切削狀態(tài)。在Z軸方向加工出的形貌尺寸可控制在納米范圍內(nèi),而在X軸和Y軸方向加工出的形貌尺寸則在0.5-100μm之間。
李博士表示,加工樣件表面大約需要10分鐘,而這對(duì)于一種具有商業(yè)應(yīng)用價(jià)值的加工方法來(lái)說(shuō),時(shí)間顯然太長(zhǎng)。他補(bǔ)充說(shuō),該 研究 團(tuán)隊(duì)正試圖實(shí)現(xiàn)大批量加工。為此,可以采用兩種方法:一是在一個(gè)懸臂上安裝多個(gè)金剛石刀尖,同時(shí)加工多個(gè)工件;二是加工一個(gè)模子(即印模),用來(lái)進(jìn)行大批量的納米拓印加工。
該 研究 團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃將“自頂向下”加工與“自底向上”加工(如在被加工表面沉積生長(zhǎng)納米線)結(jié)合起來(lái),以充分利用這兩種方法的優(yōu)勢(shì),進(jìn)一步增大制備出主動(dòng)納米裝置和納米結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)。李博士說(shuō),“多年來(lái),在納米制備領(lǐng)域,人們總是說(shuō)‘我們不能只依賴一種方法,我們需要把各種方法結(jié)合起來(lái),’我們正在使這種想法夢(mèng)想成真。”
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