[发明专利]一种晶体取向及尺寸可控的纳米针尖的制备方法

说明书

本发明公开了一种晶体取向及尺寸可控的纳米针尖的制备方法，属于纳米材料制备领域。该方法包括步骤：1)将待加工的块体材料加工成一端为针尖状并达到微米级的微米棒；2)对微米棒的针尖部分进行晶体取向分析，根据分析结果在微米棒针尖部分选择适合加工的晶粒，然后采用镓离子束将适合加工的晶粒加工成具备晶体取向及尺寸可控的纳米针尖。该方法解决了目前借助纳米针尖模拟纳米单颗粒过程晶体取向及尺寸可控的问题，进一步建立较合理纳米单颗粒与材料表面接触的物理模型，可广泛应用于在纳米颗粒与基底材料表面微观过程的研究中。

技术领域

本发明属于纳米材料制备领域，具体涉及一种晶体取向及尺寸可控的纳米针尖制备方法。

背景技术

目前超光滑表面在精密光学、航空航天和芯片工业等技术领域具有重要的应用，因此在超精密加工技术方面，积极开展大量的研究工作。化学机械抛光是目前应用最广泛、商业化程度最高的超精密抛光技术，其实质是抛光液中的固体研磨颗粒在一定条件下对材料表面平坦化的效果，通常被加工表面需达到原子级平面度，且对加工表面的损伤、残余应力、缺陷以及晶格完整度都有严格的要求。目前的研究技术中缺乏对单个纳米研磨颗粒的力学性质、物化特性和表面缺陷的研究，尤其在研磨颗粒与加工表面接触方面，缺少对其摩擦作用的物化反应机理的研究，这些都成为了当前超精密抛光技术及高端抛光液研发的瓶颈。与此同时，如何将研磨颗粒与工件表面材料的力学性质、显微结构，与研磨颗粒和抛光界面相互作用的微观动态过程相结合，建立跨尺度的物理模型仍然是是目前研究的热点和难点。

有关纳米针尖与基底的接触、摩擦力学行为和物化反应的研究表明，纳米针尖与基底是经过单颗粒接触的。借助纳米探针技术模拟单个纳米颗粒的接触和摩擦行为，提供了纳米单颗粒与材料表面微观作用过程研究的另一种思路。在纳米针尖研究的基础上，有研究人员通过对纳米针尖的物理和化学修饰，在纳米针尖处获得了纳米单颗粒，为模拟单颗粒在基底表面的微观作用过程提供了技术支持，肯定了界面摩擦物化行为对超精密抛光效果的作用。但利用此法获得的纳米颗粒具有很大的偶然性，无法控制纳米单颗粒的晶粒结构和尺寸，且颗粒与针尖的接触状态难以计算，会造成较大的实验误差。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种晶体取向及尺寸可控的纳米针尖制备方法，该制备方法解决了加工过程中晶体取向及尺寸可控的问题，有效改善纳米针尖模拟纳米单颗粒技术的可靠性问题，为研究纳米单颗粒与工件表面微观相互作用机制提供一种晶粒取向和尺寸可控的物理模型。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种晶体取向及尺寸可控的纳米针尖的制备方法，包括以下步骤：

1)将待加工的块体材料加工成一端为针尖状并达到微米级的微米棒；

2)对微米棒的针尖部分进行晶体取向分析，根据分析结果在微米棒针尖部分选择适合加工的晶粒，然后采用镓离子束将适合加工的晶粒加工成具备晶体取向及尺寸可控的纳米针尖。

优选地，步骤1)中采用机械切割及磨抛法制备微米棒。

进一步优选地，先将待加工的块体材料通过机械切割成尺寸适合的长方体，再对长方体进行手工磨抛，制得一端具有微米级针尖部分的微米棒。

优选地，步骤2)采用纳米级加工精度的FIB系统制备纳米针尖。

进一步优选地，采用FIB系统制备纳米针尖，具体包括以下步骤：

a)将微米棒插入压头座中并固定，微米棒粗端直径与压头座匹配；

b)将带有微米棒的压头座放入FIB真空舱内，采用FIB系统中EBSD探头对微米棒尖端部分的晶体取向进行分析测试，筛选出微米级晶粒。

更进一步优选地，借助体视显微镜将微米棒插入压头座中，并采用金属热固胶将微米棒固定在压头座中，微米棒的针尖部分保留在压头座外部。