單晶硅納米磨損的濕度-速度效應及防護研究.pdf

1、納米科技開創(chuàng)了21世紀人類生活的新時代，其發(fā)展不僅將促使人類認知的革命，也是人類實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要保證。目前，信息、生物、先進制造、航空航天等高新技術領域的微型化趨勢極大地促進了微/納機電系統(tǒng)(M/NEMS)的發(fā)展，催生出一批高性能微納機電系統(tǒng)。然而，由于尺寸和表面效應，黏著和磨損等納米摩擦學問題成為困擾M/NEMS成功研制和長期可靠服役的關鍵因素。
　　磨損按照材料去除機理的不同，大致可分為機械磨損和摩擦誘導的化學磨損兩大類。

2、相對應純機械磨損，摩擦化學磨損在大氣環(huán)境中更容易發(fā)生且對材料造成的損傷程度更嚴重，對M/NEMS的危害也更大。因此，本文針對硅基M/NEMS制造和運行中的納米磨損問題，首先利用二氧化硅球形探針深入探討了單晶硅材料的納米磨損行為和機理，通過改變針尖滑動速度和環(huán)境濕度實現(xiàn)了單晶硅對水誘導摩擦化學磨損的屏蔽;最后使用原子力顯微鏡和納米壓痕/劃痕儀系統(tǒng)考察了超薄DLC涂層對單晶硅(100)納米磨損和納動磨損的防護能力。本論文通過對單晶硅納米磨損

3、及其防護的系統(tǒng)研究，得到的主要結論如下:
　　(1)發(fā)現(xiàn)了微觀摩擦過程中的磨合現(xiàn)象，揭示了其摩擦磨損機制。納米尺度下，單晶硅/二氧化硅摩擦副在大氣環(huán)境下表現(xiàn)為典型的磨合過程，摩擦系數(shù)和磨損率隨循環(huán)次數(shù)的增加呈先急劇降低而后保持平穩(wěn)的變化趨勢。與宏觀條件下機械作用對粗糙表面的平滑機制不同，納米尺度下硅/二氧化硅摩擦副的磨合過程主要歸因于單晶硅表面氧化層的去除以及二氧化硅針尖表面的疏水化。
　　(2)揭示出針尖滑動速度和濕度對單

4、晶硅納米磨損的影響規(guī)律。單晶硅表面的納米磨損與二氧化硅針尖的滑動速度以及環(huán)境濕度密切相關。盡管單晶硅在干燥空氣下具有優(yōu)異的機械磨損抵抗力，但水分子參與的摩擦化學反應導致單晶硅表面極易發(fā)生嚴重磨損。在不同濕度的空氣環(huán)境中，單晶硅的磨損率隨針尖滑動速度的增加呈指數(shù)級降低直至穩(wěn)定;在不同滑動速度下，磨損率隨濕度增加表現(xiàn)為先逐漸增大，而當濕度30％后保持平穩(wěn)。分析表明，單晶硅磨損體積隨滑動速度和環(huán)境濕度的變化主要歸因于接觸界面間吸附水膜厚度和結

5、構的改變。
　　(3)大氣環(huán)境中實現(xiàn)了單晶硅對摩擦化學磨損的屏蔽，并闡明其原因。潮濕空氣中單晶硅/二氧化硅配副在滑動過程中的摩擦化學反應并不總會發(fā)生。在高速度/低濕度或低速度/高濕度條件下，單晶硅基體在滑動過程中表現(xiàn)為無磨損或輕微磨損現(xiàn)象。在低濕度/高速度環(huán)境下(＜30％)，單晶硅與二氧化硅接觸界面在速度足夠快時來不及形成吸附液橋，導致摩擦化學反應難以發(fā)生。在其它實驗條件下，二氧化硅針尖與單晶硅接觸界面間主要發(fā)生以下兩類化學反應:

6、①單晶硅/二氧化硅配副間相連硅烷醇的脫水反應，在這個過程中單晶硅表面出現(xiàn)持續(xù)磨損;②單晶硅樣品或二氧化硅針尖接觸表面相鄰硅烷醇的脫水反應，其結果導致單晶硅表面在100次循環(huán)滑動后只出現(xiàn)輕微損傷或無損傷。
　　(4)揭示出超薄DLC涂層對單晶硅納米磨損和納動磨損的防護機制。通過系統(tǒng)研究不同厚度DLC涂層對單晶硅機械磨損和摩擦化學磨損的影響規(guī)律，證明厚度僅為2 nm的超薄DLC涂層能夠有效防護單晶硅基體的納米磨損。當使用金剛石針尖時，