基于有限元方法的掃描探針納米尺度放電電場研究.pdf

1、納米尺度放電因其在納米加工、微納機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及納米材料表面分析等領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景而逐漸發(fā)展成為一個(gè)重要的研究方向。尤其是在設(shè)計(jì)制造各種基于納米尺度放電現(xiàn)象進(jìn)行納米加工或納米成型的系統(tǒng)方面，已受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。氣體放電過程是一個(gè)多因素影響的復(fù)雜隨機(jī)過程，而對(duì)于納米尺度放電現(xiàn)象，經(jīng)典的氣體放電理論可能不再適用，納米尺度放電起始的機(jī)理涉及到更深層次的量子理論，放電過程也會(huì)出現(xiàn)一些不同于大尺度氣體放電的特殊現(xiàn)象。另外，目前用于納米尺

2、度放電研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并不成熟，這也導(dǎo)致對(duì)納米尺度放電現(xiàn)象的研究更加困難。
　　 在納米科技等前沿問題的研究中，實(shí)驗(yàn)的研究方法往往存在尺度和精度的問題，而計(jì)算機(jī)仿真工具有效地突破了這些限制條件。因此，本文建立了基于掃描探針的納米尺度放電模型并進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，對(duì)掃描探針放電時(shí)納米尺度放電間隙內(nèi)電場分布規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的研究。初步探索了大氣環(huán)境中掃描探針放電現(xiàn)象隨探針形態(tài)、激勵(lì)電壓以及放電間隙等參數(shù)變化的規(guī)律。
　　 本文主要

3、研究工作及結(jié)果如下:
　　 1.討論了掃描探針外形參數(shù)對(duì)納米尺度放電間隙內(nèi)電場分布的影響。研究發(fā)現(xiàn)掃描探針尖端面積大會(huì)顯著拓寬放電在樣品基板上的有效作用半徑。四面體錐形和雙曲面錐形掃描探針在樣品基板上的有效作用半徑基本相同，但雙曲面錐形探針在具有良好放電性能的同時(shí)還具有仿真計(jì)算效率高及準(zhǔn)確度高的優(yōu)勢。當(dāng)激勵(lì)電壓在50 V左右，其它參數(shù)保持不變時(shí)，改變掃描探針的高寬比對(duì)納米尺度放電間隙內(nèi)電場分布的影響不明顯，僅離掃描探針尖端15n

4、m以內(nèi)的區(qū)域電場變化比較顯著。
　　 2.研究了激勵(lì)電壓大小對(duì)掃描探針放電在樣品基板表面有效作用半徑的影響。隨著激勵(lì)電壓上升，掃描探針放電在樣品基板表面的有效作用半徑呈線性規(guī)律變化，但在激勵(lì)電壓相對(duì)較小時(shí)偏離線性變化趨勢。
　　 3.分析了放電間隙大小對(duì)納米尺度放電在樣品基板表面有效作用半徑的影響。隨著放電間隙的增大，掃描探針放電在樣品基板上的有效作用半徑呈非線性變化規(guī)律。
　　 4.研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其它控制參數(shù)保

5、持不變時(shí)，在不同高寬比的掃描探針上施加相對(duì)較低、適中及相對(duì)較高的激勵(lì)電壓后，掃描探針放電在樣品基板上的有效作用半徑會(huì)呈現(xiàn)三種不同的變化規(guī)律:①當(dāng)激勵(lì)電壓較低(＜50 V)時(shí)，掃描探針放電在樣品基板上的有效作用半徑隨著探針高寬比的增加而逐漸減小;②當(dāng)激勵(lì)電壓適中(～50 V)時(shí)，掃描探針放電在樣品基板上的有效作用半徑基本不隨探針高寬比的變化而改變，保持在125 nm的水平;③當(dāng)激勵(lì)電壓較高(＞50 V)時(shí)，掃描探針放電在樣品基板上的有效作

6、用半徑隨著探針高寬比的增加而逐漸增大。
　　 5.最后，本文將仿真計(jì)算結(jié)果與其它研究組進(jìn)行掃描探針納米尺度放電實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。例如，當(dāng)放電間隙為5nm，激勵(lì)電壓約為20 V時(shí)，通過仿真計(jì)算得知掃描探針放電在樣品基板上有效作用半徑約為78 nm，與X.N.Xie研究組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(～75 nm)相吻合。
　　 本文利用仿真計(jì)算方法，系統(tǒng)地研究了基于掃描探針的納米尺度放電模型的相關(guān)規(guī)律，為進(jìn)