采用AFM加工大范围微纳米聚合物结构的实验研究

论文摘要

近些年来,人们对AFM(原子力显微镜)的研究越来越多,尤其是AFM从测量领域扩展到加工领域以后,利用AFM进行微纳米结构的加工研究,已经成为微纳米加工中重要的一个研究领域。目前,小范围内基于AFM微纳米结构加工方法的研究已经相对成熟,但是由于AFM自身压电陶瓷具有迟滞性、非线性,限制了它的加工范围,基于此,实验室已经搭建了一套AFM和高精度二维工作台的新型大范围纳米加工系统,利用这套系统进一步研究,以便于可以利用AFM加工更多大范围微纳米规则结构,对进一步扩展AFM的应用具有很大意义。本论文就是利用已经搭建起来的新系统,对大范围微纳米聚合物结构的加工进行研究,首先,在小范围内对两种聚合物PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)和PC(聚碳酸酯)的加工,利用单因素实验和正交实验相结合的方法,主要对力、进给量、加工方向和速度几个参数进行参数优化,加工的结构主要是纳米线结构以及微方坑结构。然后,针对AFM自身加工的局限性,对AFM自身程序进行开发,并且实现AFM与工作台联合控制。将AFM与二维工作台通过串口通信,并对工作台进行VB编程通过工作台指令实现对工作台的控制,然后将AFM与工作台通过主机利用VB程序联合控制,以实现更多复杂结构的自动化加工。最后,进行如何实现更好的一致性加工结果进行研究,通过PID调节等解决工作台振动问题,通过大量大范围实验研究针尖磨损以及针尖对软样品的粘结,并对加工结果进行分析,探索出大范围加工过程中微纳米结构变化的规律和针尖磨损的影响,并针对研究结果在加工过程中进行补偿,最终可以实现一致性很好的大范围微纳米聚合物结构的加工。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及目的和意义
• 1.2 基于AFM的微纳结构加工技术的研究现状
• 1.2.1 基于AFM的小范围微纳结构加工技术的研究现状
• 1.2.2 基于AFM的大范围微纳加工技术的研究现状
• 1.3 本课题主要研究内容
• 第2章 采用AFM加工聚合物微纳结构实验研究
• 2.1 概述
• 2.2 实验装置与步骤
• 2.2.1 实验装置
• 2.2.2 实验样品
• 2.2.3 实验步骤
• 2.3 PMMA微纳结构的加工
• 2.3.1 PMMA方坑结构的加工
• 2.3.2 PMMA纳米线结构的加工
• 2.4 PC微纳结构的加工
• 2.4.1 PC方坑结构的加工
• 2.4.2 PC线结构加工工艺实验
• 2.5 本章小结
• 第3章 AFM和工作台联合加工软件研制
• 3.1 引言
• 3.2 串口通讯原理及编程
• 3.3 工作台独立控制
• 3.4 AFM自身程序的开发
• 3.5 工作台与AFM联合控制软件
• 3.6 本章小结
• 第4章 大范围微纳结构加工一致性的实验研究
• 4.1 工作台振动的影响
• 4.2 针尖形貌对纳米加工过程的影响
• 4.2.1 针尖的磨损形式及针尖半径测量原理
• 4.2.2 纳米加工过程中的针尖磨损实验研究
• 4.2.3 纳米加工过程中的针尖粘结实验研究
• 4.3 大范围加工微纳结构结果分析
• 4.3.1 方坑阵列加工实验
• 4.3.2 线阵列加工实验
• 4.4 提高加工结构一致性的方法
• 4.5 一致性好的毫米尺度微纳阵列结构加工实验
• 4.5.1 大范围方坑阵列加工结果
• 4.5.2 大范围线阵列加工结果
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢