鈮酸鋰晶體納米壓痕及化學(xué)機(jī)械拋光研究.pdf

1、鈮酸鋰晶體(LiNbO3，LN)具有優(yōu)異的電光、聲光、壓電等特性，居里溫度是1210℃，自發(fā)極化大。LN晶體能夠在高溫和化學(xué)腐蝕情況下保持穩(wěn)定的理化性能，并且價(jià)格低廉，易于生長(zhǎng)大直徑單晶體，在光波導(dǎo)、光通訊調(diào)制器、倍頻轉(zhuǎn)換、聲表面濾波器、光學(xué)集成等方面應(yīng)用廣泛，享有“光學(xué)硅”的美譽(yù)。
　　隨著光電子技術(shù)及非線性光學(xué)器件的快速發(fā)展，要求LN晶片加工后的表面超光滑、無(wú)游離磨料嵌入、無(wú)劃痕。LN晶體硬度較低，脆性較大，屬于軟脆晶體，采用

2、研磨、機(jī)械拋光等傳統(tǒng)的加工方法容易造成游離磨料嵌入、劃痕、裂紋及破碎等缺陷，并且加工效率較低。我國(guó)在LN晶體超精密加工領(lǐng)域落后于美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家。
　　本文通過(guò)納米壓痕技術(shù)研究了LN晶體的納米力學(xué)性能，測(cè)得X-cut、Y-cut、Z-cut硬度分別為11.49，8.14，10.86 GPa，相應(yīng)的彈性模量分別為201.96，159.62，202.18 GPa，LN晶體在納米尺度下表現(xiàn)出塑性變形，為超精密加工提供依據(jù)。經(jīng)過(guò)納米壓痕后

3、，因?yàn)榫Ц褡冃渭皝啽砻鎿p傷，晶體的硬度和彈性模量均有較大提高，分別增大為27.14，16.71，22.19 GPa和304.48，230.95，287.98 GPa。晶體的力學(xué)性能加強(qiáng)，對(duì)研磨加工提高材料性能有指導(dǎo)意義。
　　針對(duì)傳統(tǒng)方法加工LN晶體容易出現(xiàn)劃痕、崩碎、裂紋等表面損傷，基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)LN晶體進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光實(shí)驗(yàn)。探究拋光液的pH值、氧化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、二氧化硅磨粒尺寸、流速和絡(luò)合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)最終加工效果的影響，發(fā)現(xiàn)

4、隨著二氧化硅磨粒尺寸的增大，材料去除率提高，加工后晶片表面粗糙度增大。隨拋光液pH值的增大，加工后晶片表面粗糙度先減小后增大。以正交試驗(yàn)獲得的優(yōu)化工藝參數(shù)下進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，可獲得Ra為0.642nm的光滑表面。通過(guò)單一變量實(shí)驗(yàn)優(yōu)化工藝參數(shù)，最終加工后的晶片表面粗糙度可達(dá)到0.6 nm以下，材料去除率達(dá)到400 nm/min。
　　針對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光中氧化劑的化學(xué)作用和納米級(jí)二氧化硅磨粒的機(jī)械作用，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。結(jié)果表明單純化學(xué)