[发明专利]一种采用AFM探针纳米刻划加工毫米尺寸微纳结构的方法

说明书

技术领域

本发明属于毫米尺寸微纳结构加工领域，特别是一种基于AFM探针纳米刻划加工毫米尺寸微纳结构的方法。

背景技术

具有纳米精度的复杂微结构在许多领域有着广泛的需求，如高密度光栅结构、复杂三维微纳结构等已经广泛应用在二元微光学、X射线天文望远镜、极端远紫外光刻、激光惯性约束核聚变诊断系统、实验力学、表面工程等诸多领域。对于上述的这类结构，目前采用的加工手段主要为电子束加工、聚焦离子束、激光加工等传统纳米加工手段，然而昂贵的加工设备、苛刻的加工条件、微米尺寸的加工范围以及低的加工效率等缺点制约了上述复杂纳米结构的制作。

随着纳米技术的发展，通过控制原子力显微镜（AFM）探针与表面之间的物理、化学的作用，可以实现在纳米尺寸甚至原子尺寸上改变物体表面的微观形貌，从而将其从测量领域扩展到纳米加工领域，并且开展了广泛而深入的研究。在众多的基于AFM探针的纳米加工方法中，基于AFM探针的纳米机械刻划加工作为一种传统超精密加工向纳米尺寸的延伸技术，已经被证明它具有在微米尺寸上加工复杂纳米精度的三维微纳结构的能力。与此同时，传统的精密微车削系统由于采用刀具的尺寸和运动部件的精度都在微米量级，导致该方法的加工尺寸和精度很难达到纳米量级，目前仅处于微米量级。因此人们试图将AFM探针纳米机械加工系统改造作为下一代的纳米级数控（CNC）机床。然而目前这种方法存在的最大问题在于：受扫描陶管的扫描范围限制，其加工范围在微米尺寸（100微米左右），这样的尺寸还不能满足人们对毫米尺寸、纳米精度微纳结构的现实需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种结合商用AFM系统并结合毫米尺寸、纳米精度定位平台，实现采用AFM探针纳米刻划加工毫米尺寸微纳结构的方法，该方法能够在较低成本下解决毫米尺寸、纳米精度微纳结构的加工问题。本发明是通过AFM探针机械刻划的方式去除样品表面材料，实现加工目的的。

为实现上述目的的技术方案是：

方案一：一种采用AFM探针纳米刻划加工毫米尺寸微纳结构的方法，所述的方法由下述步骤实现：

步骤一：首先将待加工样品置于X-Y二维精密工作台上，通过X-Y二维精密工作台在长×宽=100mm×100mm范围内确定待加工样品要加工结构的起始点；然后通过AFM系统的逼近过程使AFM探针以小于1μN的垂直载荷接触待加工样品的表面；

步骤二：加工纳米线振列结构；首先设定AFM的扫描范围为0μm，其次设定加工长度、加工宽度、加工间距、加工方向、垂直载荷及加工速度的参数值，上述所述的各参数值分别如下：加工长度L为1mm-50mm、加工宽度B为1mm-50mm、加工间距W为0.2μm-100μm、加工方向为垂直于AFM系统微悬臂长轴方向、垂直载荷为5μN-150μN、加工速度为10μm/s-100μm/s；然后，使用步骤一所述的X-Y二维精密工作台按照上述所述的各参数设定值进行加工，AFM探针的运动轨迹为蛇形，当加工的范围达到预定设置的范围后停止加工。

方案二：一种采用AFM探针纳米刻划加工毫米尺寸微纳结构的方法，所述的方法由下述步骤完成：

步骤一：首先将待加工样品置于X-Y二维精密工作台上，通过X-Y二维精密工作台在长×宽=100mm×100mm范围内确定待加工样品要加工结构的起始点；然后通过AFM系统的逼近过程使AFM探针以小于1μN的垂直载荷接触待加工样品的表面；

步骤二：加工由多个相同单个微结构组合而成的阵列微结构；加工单个微结构的形状为圆形、方形或等边三角形，加工单个圆形微结构的直径为5μm-50μm，加工单个方形或等边三角形微结构的边长为5μm-50μm；加工时垂直载荷为5μN-150μN，加工速度为10μm/s-100μm/s；加工由4-1000个相同单个微结构组合成的阵列微结构，相邻两个单个微结构沿宽度方向的中心距B1为50 μm-100μm，相邻两个单个微结构沿长度方向的中心距L2为50 μm-100μm，由多个相同单个微结构组合而成的阵列微结构沿长度方向的总中心距L依据相邻两个单个微结构沿长度方向的中心距L1以及单个微结构尺寸和加工个数来确定；由多个相同单个微结构组合而成的阵列微结构沿宽度方向的总中心距B依据相邻两个单个微结构沿宽度方向的中心距B1以及单个微结构尺寸和加工个数来确定；加工时，由扫描陶管带动AFM探针运动，从而实现方形、圆形或等边三角形阵列微结构的加工。