单晶硅的切向纳动研究

“纳动”是指相对运动的位移幅值在纳米量级的特殊摩擦运动方式,其接触面积和载荷通常远低于传统微动,普遍存在于微机电系统中。由于机械振动、热交换、流体运动和电磁震动等引起的配合面纳动可造成接触表面独特的磨损,进而引起微机电系统的松动、咬合、信号失真、噪声增加；或造成裂纹萌生、扩展,使构件使用寿命急剧降低。因此,微机电系统中的纳动损伤问题已成为继滑动磨损、粘着破坏之后又一关键摩擦学问题。本文针对微机电系统中的纳动损伤问题,利用原子力显微镜,采用金刚石和二氧化硅球形探针系统地研究了单晶硅(100)的切向纳动运行行为和损伤特性。研究过程中,首先提出了一种改进的原子力显微镜切向力标定方法,以精确标定原子力显微镜的摩擦力测量系统；进而采用金刚石针尖阐明了单晶硅纳动损伤模式的转变过程,提出了损伤模式转变的临界条件；在此基础上,采用球形Si02针尖揭示了界面粘着、环境气氛与单晶硅表面亲／疏水性对Si(100)/SiO2纳动运行和损伤的影响规律；最后系统分析了Si(100)/SiO2纳动磨损的机理,着重强调了摩擦化学反应在单晶硅纳动磨损中的作用。基于以上研究,本文得到以下主要结论：(1)在传统楔形标定法的基础上,提出了一种改进的原子力显微镜切向力标定方法。该方法全面考察了摩擦力标定系数随标定载荷的变化趋势,选取高载下相对稳定的数据作为最终的标定结果,避免了低载标定所引入的误差,因此更加适合应用于原子力显微镜的摩擦力标定。该方法的建立为后续研究工作的开展奠定了实验基础。(2)单晶硅的纳动损伤强烈地依赖于载荷和循环次数。随载荷的增加或在一定载荷条件下随循环次数的增加,纳动损伤先后经历了表面隆起、下陷和材料去除几个阶段。分析结果显示,单晶硅的纳动损伤从表面隆起到下陷转变对应的临界接触应力接近单晶硅的硬度。(3)随着Si02针尖和样品间粘着力的增加,纳动的粘着区将会向高位移幅值方向移动。在真空中,纳动运行的摩擦力较低,单晶硅的纳动损伤以机械变形为主,表现为表面隆起的形成；而大气下,纳动运行的摩擦力较高且随循环次数的增加变化剧烈,纳动损伤以摩擦化学反应为主导,表现为较深的沟槽。(4)单晶硅表面越亲水,粘着力越大,纳动粘着区对应的位移幅值区间越大。由于纳动过程中SiO：针尖的原位摩擦化学修饰,导致纳动后Si(100)/SiO2的粘着力和摩擦力下降。真空中的纳动损伤较轻微,表现为疏水硅和原始硅表面较低的隆起,以及亲水硅表面较浅的凹陷。大气环境下的纳动损伤较严重,表现为单晶硅表面较深的沟槽,且沟槽的深度随单晶硅表面亲水性的增强而增加。(5)大气下,Si(100)/SiO2的纳动损伤是机械作用和摩擦化学反应共同作用的结果,但以摩擦化学反应为主导。摩擦过程中的剪切应力有助于削弱单晶硅中Si-Si键的键能,促使了摩擦化学反应的进行。相对于氧气的氧化作用,大气下水分子参与的水解反应对单晶硅的纳动磨损起到了更为关键性的作用。此外,在水分子的作用下,SiO2摩擦副可以与单晶硅之间形成Si-O-Si键桥,加速了Si原子从基体上脱落。