| 题名 | 光耦合胶体射流创生单晶硅超光滑表面仿真及试验研究 |
| 作者 | 徐国敏 |
| 答辩日期 | 2019 |
| 导师 | 宋孝宗 |
| 关键词 | 光催化 射流抛光 形貌表征 超光滑表面 化学吸附 |
| 学位名称 | 硕士 |
| 英文摘要 | 随着光学与微电子领域的不断发展,对零件的表面精度、分辨率、稳定性以及形貌等各方面结构性能都提出了严格的标准,尤其是针对光学元件,更是要求其无表面损伤以及纳米级别的表面粗糙度。目前在光学制造领域,复杂曲面由于其自身显著的优点因而在市场上的运用越来越广泛,但随之而来的是如何实现复杂曲面超光滑表面的大规模加工制造这一技术难题。为此,全球光学加工领域的研究学者都致力于开发新的超光滑表面加工技术,以期实现各种复杂曲面光学元件超光滑表面的生成。本文基于紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工技术,对光耦合TiO2纳米颗粒胶体射流创生单晶硅超光滑表面加工过程中,胶体环境中的TiO2纳米颗粒与两种单晶硅表面结构处的Si原子之间的相互作用关系以及后续单晶硅界面原子键的断裂采用了仿真与实验相结合的研究方法,对光耦合下胶体射流单晶硅超光滑表面生成机理进行分析。由于光耦合胶体射流加工是依赖于胶体中的纳米颗粒在光场以及射流动压场的作用下与待加工表面原子发生一系列的界面化学反应从而实现材料表面的原子级去除,所以需用到量子化学研究方法对抛光过程中各个分子、原子间的具体反应路径以及体系能量的变化进行仿真模拟计算。具体的研究内容包括以下几个方面:（1）研究了胶体环境下,纳米颗粒与单晶硅表面原子间的行为路径。在量子化学计算的基础上,通过Material Studio软件建立了锐钛矿型TiO2模型及其团簇模型与单晶硅“平”、“凸”两种表面模型。利用CASTEP版块进行了,OH基团与锐钛矿型TiO2团簇、OH基团与单晶硅表面、锐钛矿型TiO2团簇与单晶硅表面的吸附过程的模拟计算,对比了OH基团与TiO2团簇模型在两种单晶硅表面结构发生化学吸附的难易程度,最后对TiO2团簇脱离两种单晶硅表面结构时,表面Si-Si键的断裂所需要的能量进行了计算。仿真计算结果表明:在光耦合TiO2纳米颗粒胶体射流创生单晶硅超光滑表面加工过程中TiO2纳米颗粒与单晶硅工件表面间界面反应主要为原子间的键合作用,为光耦合胶体射流创生单晶硅超光滑表面机理奠定了理论基础。（2）分析了配制的TiO2纳米颗粒胶体的光催化活性。对TiO2纳米颗粒粉末进行了X射线衍射（XRD）检测,并利用该粉末配制了TiO2纳米颗粒胶体。通过纳米粒度分析仪以及透射电子显微镜（TEM）对胶体中的TiO2纳米颗粒进行了粒度分析表征检测。接着对配制好的胶体进行了降解甲基橙溶液的光催化活性对比实验。（3）对单晶硅硅片进行了光耦合胶体射流抛光试验。利用课题组自主研发的好的射流加工平台对单晶硅工件表面进行了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流抛光试验,利用原子力显微镜（AFM）对射流加工前后单晶硅表面形貌进行检测,结果表明:光耦合射流抛光后的单晶硅工件获得了获得亚纳米级别的超光滑表面。（4）通过吸附对比试验,对第一性原理仿真结果进行了验证。根据量子化学仿真计算结果,胶体中的TiO2纳米颗粒与单晶硅表面发生化学碰撞后形成了新的Ti-O-Si共价键,为了对仿真结果进行验证,设计了TiO2纳米颗粒在单晶硅表面的吸附实验。对比了射流加工后的单晶硅表面,吸附实验后的单晶硅表面以及未经任何处理的单晶硅表面的扫描电子显微镜（SEM）表征结果以及三者的红外反射光谱,由此证明了单晶硅表面与TiO2纳米颗粒发生化学吸附后的确会在单晶硅表面生成新的共学键。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 70 |
| URL标识 | 查看原文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.lut.edu.cn/handle/2XXMBERH/94835]  |
| 专题 | 兰州理工大学 |
| 作者单位 | 兰州理工大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 徐国敏. 光耦合胶体射流创生单晶硅超光滑表面仿真及试验研究[D]. 2019. |
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