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| 編輯推薦： |
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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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| 內容簡介： |
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。
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| 關於作者： |
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史立秋，毕业于哈尔滨工业大学机械制造及其自动化专业，工学博士，副教授，硕士研究生导师，中国机械工程学会和中国微纳米技术学会高级会员。多年来一直致力于超精密加工及微纳制造领域的研究，在该领域发表多篇高水平论文，并受国家自然科学基金、省自然科学基金、新世纪优秀人才等项目的资助，出版专著和教材多部，授权发明专利和实用新型专利多项，主持的超精密加工类项目先后获得黑龙江省自然科学技术学术成果二等奖、校科学技术成果一等奖，在该领域具有扎实的研究基础和独特的创新思维。
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| 目錄：
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目录
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
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前 言
自 20世纪 80年代末以来，纳米技术在信息、材料、生物、微电子和微制造方面显示出越来越重要的应用前景，已成为世界关注的重要科技前沿之一。硅在微电子领域已成为当今最重要的基础材料，随着纳米科学技术的发展，在硅表面设计和构筑具有特定功能和性质的纳米结构成为人们十分感兴趣的研究热点。而且随着电子器件越来越小型化，人们对纳米结构的需求也越来越迫切，需要对其进行广泛的探索和研究。通过自组装技术，以纳米材料为单元，能有效地构筑纳米或微米尺度上的功能结构。超精密加工技术水平的高低一向是评价世界国家制造技术水平的标准。随着时代的进步和技术的快速发展，国防、航空以及其他高新技术领域对加工材料的高表面质量的需求相当急切。研究超精密加工和纳米加工，利用新的理论来提高加工精度都将是未来的研究趋势和热点，而且极为迫切。本书提出一种新的微纳结构制造方法，以“割草种花”为主要手段，在有机溶液中对单晶硅表面构筑形状、位置和功能可控的微纳结构，并采用仿真分析研究微纳刻划过程，获得最优加工参数。
本书共分 8章，每一章节的内容环环相扣，前后呼应，一气呵成，总体叙述了微纳制造技术中可控自组装微纳结构的新方法，对单晶硅超精密刻划过程进行仿真分析，建立超精密加工系统进行可控自组装实验研究，既有基本原理和公式的阐述，也有对该领域国内外现状的分析介绍。书中数据是作者本人及所带研究生研究工作的汇集，同时对一些科学现象加以挖掘，对一些基本原理进行深入浅出的解释。
本书主要内容为：第 1章绪论，介绍目前纳米技术的发展以及微纳结构制造的国内外现状，提出一种硅表面微纳结构加工的新方法— —机械 -化学方法，并分析利用有限元和分子动力学对加工过程进行模拟分析的优势；第 2章硅表面可控自组装的反应机理分析及微加工工艺，主要介绍利用量子化学模拟从理论角度分析自组装的过程，并建立微加工实验系统进行加工工艺研究；第 3章单晶硅机械刻划有限元理论及模型建立，介绍了金刚石超精密切削单晶硅的切削机理，有限元法的基本思想和计算流程，利用大型商业有限元软件 Marc建立了金刚石超精密切削单晶硅的二维有限元仿真模型；第 4章单晶硅机械刻划过程的有限元仿真，主要介绍运用 Marc对平面应变状态下的单晶硅塑性域加工的超精密切削模型进行分析研究，分析刀具几何参数和切削参数对切屑形成的影响，预测切削力、切削温度以及应力受刀具几何参数和切削参数改变的影响，使用优化后的切削加工参数对单晶硅的三维正交超精密切削过程进行研究；第 5章单晶硅超精密切削的分子动力学仿真分析，对分子动力学模拟方法进行了简单介绍，讨论确定了模拟的初始条件，并建立了单晶硅纳米切削的三维仿真模型，在三维图像中从原子瞬时位置、温度和原子间势能等方面探讨单晶硅切削过程中材料去除方式与已加工表面的成形机理，主要介绍切削深度、切削速度、刀具前角和刀尖形状等因素对硅表面切削过程的影响；第 6章硅表面可控自组装微纳结构制造，介绍利用建立的微加工系统在芳香烃重氮盐溶液中进行硅表面可控自组装实验，分别使用原子力显微镜（ AFM）、扫描电子显微镜（ SEM）、X射线光电子能谱（ XPS）、红外光谱和飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）对制造的自组装微纳结构进行检测和分析，从实验角度验证芳香烃重氮盐在硅表面进行可控自组装的反应机理；第 7章硅表面可控自组装微纳结构的纳米力学性能检测，介绍基于 AFM建立一套摩擦性能测试系统及软件，在考虑外界湿度、扫描速度等因素的前提下，并基于机械 -化学方法在单晶硅
（100）表面制备的芳香烃微纳结构的摩擦和黏附性能，期望从微观角度为硅表面制造的功能性结构在 MEMS/NEMS中的应用提供依据；第 8章硅表面可控自组装微纳结构的应用，将基于机械 -化学方法的硅表面可控微纳结构制造技术应用在三个方面进行介绍，并分析其可行性，包括①在单晶硅（ 100）表面制备耐腐蚀的掩膜，进行三维微结构的加工；②实现硅表面 DNA探针的有效固定，为 DNA生物传感器的构建和 DNA芯片的制作奠定基础；③在硅表面连接单臂碳纳米管。
本书适合从事超精密加工及微纳制造技术的科研工作者、工程技术人员或高校教师、研究生、本科生阅读。
本书得到了著者单位浙江水利水电学院南浔创新研究院（“南浔学者”项目 RC2023010918）、浙江水利水电学院机械工程学院、浙江省科技厅（浙江省重大科技计划项目 2021C03019、浙江省基础公益研究计划项目 LZJWD22E090001、浙江省自然科学基金项目 MS25E050008）的支持，在此表示感谢！
尽管著者为本书付出了十分的心血和努力，但书中难免存在一些疏漏和欠妥之处，敬请广大读者批评指正。
史立秋2024年 9月
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