大连理工自制金刚石刀具 开辟制造新型纳米结构硅新途径

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  国家自然科学基金委创新研究群体“精密制造理论与技术基础研究”在硅的变形诱导制造新型纳米结构方面取得重要进展,张振宇教授及其博士生王博、崔俊峰等以“New Deformation-Induced Nanostructure in Silicon”为题发表在国际顶级期刊Nano Letters。

  硅主导了消费电子、太阳能电池、光伏产业、半导体器件,成为世界上最大的产业-电子工业的基础。纳米结构的性能相对于块体材料得到了明显的改善,因此硅的变形诱导纳米结构在过去的50年中受到了广泛关注和研究。目前的变形诱导方法主要是金刚石砧板、压缩、划擦、弯曲、纳米压痕和纳米划擦。金刚石砧板是采用静水压力的准静态方法加载。划擦的切削速度为2.67-10 mm/s,在微米尺度而不是纳米尺度表征硅的显微结构的变化。纳米划擦的速度是0.4μm/s,纳米压痕在空气中和原位透射电镜中的速度分别为8和60 nm/s,透射电镜原位纳米力学弯曲加载的速度为10-30 nm/s,压缩的速度为2-4 nm/s,拉伸的速度为5 nm/s。高性能硅器件的加工和制造加载速度为15-18 m/s,因此目前的变形诱导制造纳米结构的方法与实际的加工速度相差3-10个量级。

  针对这个难题,大连理工大学自行设计制造了刃口半径为2.5μm、投影角为140.7°的单颗磨粒金刚石刀具,研制了单颗磨粒纳米深度超精密磨削装备,实现了磨削速度为40.2 m/s的单颗磨粒纳米深度超精密磨削试验新方法,在切削深度为33 nm的时候加工出含有非晶、新的四方相、滑移带、孪晶超晶格和单晶的新型纳米结构。第一性原理模拟揭示了新的四方相是由于Si-I相的原子沿着(11-1)面的[1-1-2]晶向滑移形成的,剪切应力为2.16 GPa,理论计算得到切削深度为33 nm时的刃口下的压力为5.11 GPa。单颗磨粒纳米深度超精密磨削试验新方法为纳米尺度变形诱导制造纳米结构开辟了新的途径。新型纳米结构的不同显微结构具有不同的力学、电学和光学性能,在晶体管、IC、二极管、太阳能电池、能量存储系统、MEMS和NEMS领域具有潜在应用价值,并为新型高性能器件与装备的设计制造提供了新的思路。

  研究工作得到了国家自然科学基金委优秀青年科学基金、创新研究群体、教育部首届青年长江学者、辽宁省高等学校创新人才、大连市杰出青年科技人才、星海杰青、星海青千和辽宁重大装备制造协同创新中心等的联合资助。
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