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硅表面可控自组装制造技术及仿真

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天津西青
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作者史立秋 著

出版社机械工业出版社

ISBN9787111767633

出版时间2024-11

装帧平装

开本16开

定价79元

货号1203452103

上书时间2024-11-30

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目录
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前 言
第１章绪论
1.1硅表面微纳结构加工技术 2 
1.1.1 “自上而下”的刻蚀技术.2 
1.1.2 “自下而上”的自组装技术.4 
1.2机械-化学方法制备功能化纳米结构 6 
1.2.1  硅表面可控自组装微纳结构制造技术7 
1.2.2  硅表面可控自组装微纳结构的模拟计算10 
1.3单晶硅表面超精密切削的有限元仿真发展现状 12 
1.4单晶硅超精密切削的分子动力学仿真发展现状 14 
1.5硅表面功能化自组装膜及其性质 16 
1.5.1  自组装膜的纳米机械摩擦性能检测16 
1.5.2  硅表面自组装膜的功能化17
参考文献18
第2章  硅表面可控自组装的反应机理分析及微加工工艺 .22 
2.1硅表面可控自组装微纳结构反应机理分析 22 
2.2量子化学模拟的理论基础 23 
2.2.1  局域密度近似和广义梯度近似24 
2.2.2  赝势26 
2.3模型的建立和计算方法 27 
2.3.1  建立模型27 
2.3.2  计算方法29 
2.4计算结果和讨论 30 
2.4.1  键角和键长30 
2.4.2  晶面能量33 
2.4.3  化学键布局34 
2.5微加工系统的建立 35 
2.5.1  微加工系统的原理36 
2.5.2  微加工系统各组成部分介绍37 
2.6微结构加工工艺研究 38 
2.6.1  刀具的选取38 
2.6.2  微结构加工的主要步骤42 
2.6.3  加工过程中刻划力的影响43 
2.6.4  典型微结构的加工44
参考文献46
第3章  单晶硅机械刻划有限元理论及模型建立 47 
3.1切削的基本理论 47 
3.1.1  切削变形区47 
3.1.2  超精密切削机理及最小切削厚度48 
3.2有限元法概述 50 
3.3非线性有限元基础与求解方法及迭代的收敛判据 52 
3.3.1  非线性有限元基础52 
3.3.2  非线性有限元的求解方法及迭代的收敛判据55 
3.4Marc超精密切削的有限元建模 .57 
3.4.1  建立超精密切削的几何模型58 
3.4.2  建立刀具和工件的材料模型58 
3.4.3  建立接触摩擦模型59 
3.4.4  边界条件的定义61 
3.4.5  建立切屑的分离模型61 
3.4.6  热机耦合63
参考文献63
第4章  单晶硅机械刻划过程的有限元仿真 .65 
4.1切屑形状的研究 65 
4.1.1  切屑形成机理的研究65 
4.1.2  刀具几何参数对切屑形状的影响67 
4.1.3  切削参数对切屑形状的影响68 
4.2单晶硅精密切削中的切削力分析 70 
4.2.1  切削力随时间的变化规律70 
4.2.2  刀具几何参数对切削力的影响71 
4.2.3  切削参数对切削力的影响72 
4.3单晶硅精密切削中的应力场分析 73 
4.3.1  单晶硅应力场的分布73 
4.3.2  刀具几何参数对应力的影响74 
4.3.3  切削参数对应力的影响76 
4.4单晶硅精密切削中的温度场分析 78 
4.4.1  单晶硅超精密切削的切削温度场78 
4.4.2  刀具几何参数对切削温度的影响80 
4.4.3  切削参数对切削温度最大值的影响81 
4.5单晶硅纳米加工的三维仿真 82 
4.5.1  三维有限元建模82 
4.5.2  单晶硅晶面的选择85 
4.5.3  单晶硅微纳结构加工过程的有限元仿真88
参考文献90
第5章  单晶硅超精密切削的分子动力学仿真分析 .92 
5.1分子动力学仿真方法及步骤 92 
5.1.1  分子动力学仿真的基本思想和理论92 
5.1.2  周期性边界条件94 
5.1.3  分子动力学系统的运动方程95 
5.1.4  积分算法与势函数96 
5.1.5  系综概念98 
5.1.6  时间步长101 
5.1.7  分子动力学仿真步骤101 
5.2仿真模型的建立 103 
5.3单晶硅切削过程的仿真分析 104 
5.3.1  仿真模拟参数设定104 
5.3.2  弛豫分析106 
5.4切削物理参数分析 106 
5.4.1  原子间势能分析106 
5.4.2  切削力分析107 
5.5单晶硅纳米切削机理分析 109 
5.6  加工参数对硅表面切削过程的影响  111 
5.6.1  切削深度对仿真结果的影响 111 
5.6.2  切削速度对仿真结果的影响113 
5.6.3  刀具前角对仿真结果的影响115 
5.6.4  刀尖形状对仿真结果的影响117
参考文献120
第6章  硅表面可控自组装微纳结构制造 121 
6.1实验设备及材料 121 
6.1.1  实验设备122 
6.1.2  实验基片、药品及试剂122 
6.2硅表面可控自组装微纳结构的制造方法 123 
6.2.1  硅片的预处理123 
6.2.2  芳香烃重氮盐溶液的配制124 
6.2.3  利用CCD放大系统和微测力仪对刀 .125 
6.2.4  微加工结束后的处理126 
6.3可控自组装微纳结构的检测与表征 126 
6.3.1  微观形貌的表征126 
6.3.2  组成元素的分析128 
6.3.3  结构和成键类型的分析139 
6.4影响硅表面自组装膜质量的多因素分析 143 
6.4.1  不同切削刀具对成膜质量的影响143 
6.4.2  切削力对表面加工质量的影响144 
6.4.3  刀具切削速度对表面加工质量的影响145 
6.4.4  组装时间对自组装膜的影响146 
6.4.5  溶液浓度对自组装膜质量的影响147
参考文献149
第7章  硅表面可控自组装微纳结构的纳米力学性能检测 .151 
7.1对自组装膜表面接触角的测量与分析 151 
7.1.1  接触角及其基础理论151 
7.1.2  接触角检测方法及接触角仪系统简介152 
7.1.3  接触角的测量和结果分析152 
7.2利用AFM检测纳米摩擦性能 .154 
7.2.1  基于AFM建立摩擦性能测试系统.155 
7.2.2  利用AFM接触模式检测摩擦性能的原理.156 
7.2.3  摩擦性能的测量结果及分析157 
7.2.4  纳米摩擦性能的影响因素分析160 
7.3自组装结构黏附性能的检测 162 
7.3.1  利用力曲线检测黏附力原理162 
7.3.2  黏附性能的测量结果及分析163
参考文献166
第8章  硅表面可控自组装微纳结构的应用 .167 
8.1自组装掩膜的制备及微结构加工 ..167 
8.1.1  硅表面形成自组装掩膜的原理167 
8.1.2  利用掩膜加工微结构169 
8.1.3  加工结果和讨论169 
8.2  硅表面固定单链DNA .171 
8.2.1  硅表面固定单链DNA的原理.171 
8.2.2  实验方法172 
8.2.3  结果和讨论173 
8.3硅表面自组装膜上连接单臂碳纳米管及其他纳米粒子 175 
8.3.1  硅表面通过芳香烃重氮盐连接碳纳米管的原理176 
8.3.2  实验方法176 
8.3.3  硅表面连接碳纳米管的表征177 
8.3.4  其他纳米粒子的自组装技术178
参考文献178

内容摘要
本书介绍了以机械 - 化学方法为主要加工手段，在单晶硅表面制造形状、位置和
功能可控的自组装微纳结构技术，分析了硅表面可控自组装微纳结构的形成机理，建
立了可控自组装微加工系统。为了获得较好的机械刻划表面，分别使用有限元仿真和
分子动力学仿真技术模拟和分析了金刚石刀具对单晶硅表面进行切削的过程，并针对
仿真结果，分析了刀具几何参数和切削参数对切削过程的影响，确定了最佳刀具几何
参数和最优切削参数。同时，利用建立的微加工系统，在单晶硅表面制备了自组装微
纳结构，进行了微观的摩擦性能和黏附性能检测，从微观角度为硅表面的功能性微纳
结构在 MEMS/NEMS 中的应用提供了依据。
本书适合从事超精密加工技术、微纳制造技术研究的科研工作者、工程技术人员或高校教师、研究生、本科生阅读。

主编推荐
本书提供的方法可解决传统方法研究中只能通过大量实验来确定最优工艺参数的弊端，降低实验成本，节省时间，提高加工效率。

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