基于机械力与电场的AFM纳米操作/加工研究

纳米技术是在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的新兴科学技术。纳米加工技术是对纳米技术的重要应用，它使人类在纳米尺度上进行结构和器件的制造成为可能。基于原子力显微镜(AFM)的纳米加工是近20年来发展的技术，由于AFM具有许多新颖的技术特点(如高分辨率，可操控等)，因而基于AFM的纳米加工技术成为纳米科学研究的新热点。 本论文以纳米制造为背景，围绕基于AFM的纳米加工技术所涉及的科学问题，重点开展了基于机械力的AFM纳米操作和基于电场的AFM纳米加工的理论方法和实现技术研究。在这些研究的基础上，开展了基于纳观机械力的刻划、纳米颗粒的排列、碳纳米管的装配实验研究，开展了基于微观电场的氧化点、氧化线、氧化文字的加工实验研究，以及微观电场氧化切割、焊接加工方法的研究。 本文的主要内容包括：交互式纳米操作系统的构建，基于机械力的AFM纳米操作研究，基于电场的AFM纳米加工研究，基于机械力与电场的AFM纳米操作/加工实验研究。具体如下： 在商用AFM的基础上，研究并搭建了具有力觉与视觉反馈的交互式纳米操作系统。通过该系统操作者可以实时感觉到操作中作用在AFM针尖的纳观力并控制针尖的运动，还可以实时观察到模拟出的针尖操作过程，因而显著提高了纳米操作的直观性、可靠性及效率。 在基于机械力的AFM纳米操作研究方面，为了理解纳观环境下普遍存在的黏附力特性，对AFM的力曲线进行了分析并给出了详细解释；通过研究探针悬臂的形变，提出了探针所受三维作用力的建模方法，以此模型获得了操作中的纳观力信息；基于多刚体动力学理论提出了碳纳米管的二连杆动力学建模方法，并对碳纳米管在操作中的弯曲特性进行了仿真分析。这些研究为基于机械力的AFM纳米操作提供了理论指导。 在基于电场的AFM纳米加工方面，研究了微观电场在样本表面的分布，建立了电场氧化加工中电场分布模型，以此模型分析了氧化物特性与电场分布的关系；对氧化加工中氧化物生长过程进行了动力学分析，得到了氧化物生长的理论模型；系统地研究了氧化加工中各因素(偏压，加工速度，针尖－样本距离等)对氧化结构生成的影响，总结了氧化物的生成与各因素的关系，验证了理论分析的结果，提高了电场氧化加工的重复性及可控性。这些研究为基于电场的AFM纳米加工提供了理论及实验依据。 在基于机械力与电场的AFM纳米操作/加工理论研究的基础上，进行了相关的实验研究。通过基于机械力的AFM纳米操作方法实现了在样本表面刻划文字，纳米颗粒的排列，碳纳米管的操作及装配；通过基于电场的AFM纳米加工方法实现了在样本表面加工氧化点，氧化线及氧化文字等纳米结构。利用电场氧化加工方法还实现了对碳纳米管的定点切割与焊接，拓展了AFM纳米加工的应用领域。这些实验研究验证了系统的操作及装配性能，证明了电场加工的有效性及具有潜在的应用前景。 本文的研究工作为制造纳米结构、纳米器件提供了一条可行的技术途径，对AFM纳米加工技术的进一步发展具有一定的理论参考及实践指导意义。