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第1篇 纳米机械加工表面的微现形貌检测方法3

第1章 纳米机械加工表面微观形貌检测方法3

1.1表面微观形貌的评价方法与评价体系3

1.2超光滑表面微观形貌检测仪器分析与选择6

1.2.1触针式表面测量技术6

1.2.2光学式表面测量技术7

1.2.3扫描显微镜表面测量技术8

1.3表面微观形貌的检测与结果分析10

1.3.1典型表面微观形貌测量仪器11

1.3.2表面形貌的检测实验12

1.3.3表面形貌检测结果分析13

1.4纳米机械加工表面形貌测量技术发展19

参考文献20

第2章 三维表面微观形貌的表征与检测22

2.1三维表面微观形貌的检测技术与国际标准表征22

2.1.1三维表面测量和分析中涉及的几个问题23

2.1.2三维表面形貌的表征参数25

2.2三维表面微观形貌的谱矩表征25

2.3轮廓／表面功率谱密度理论及应用27

2.3.1功率谱密度定义及其计算方法27

2.3.2应用功率谱密度理论对比不同测量仪器结果28

2.3.3应用功率谱密度理论研究超精密加工工艺30

2.4三维表面微观形貌的分形表征及应用36

2.4.1三维分形维数的计算36

2.4.2几种工程表面的分形维数测量37

2.5原子力显微镜的采样条件参数优化38

2.5.1方法描述38

2.5.2应用频谱分析确定采样条件的实验39

2.5.3应用频谱分析确定合理采样条件的步骤43

参考文献43

第2篇 纳米机械加工表层形成机理47

第3章 纳米机械加工的分子动力学建模与仿真47

3.1晶体铜纳米加工的分子动力学模型47

3.2分子动力学基本原理48

3.2.1经典牛顿运动方程的求解方法48

3.2.2描述原子相互作用的势能函数49

3.2.3模拟实验条件的系综50

3.2.4其他设置51

3.3晶体铜建模技术52

3.3.1晶体结构52

3.3.2单晶铜建模53

3.3.3双晶铜建模54

3.3.4纳米晶铜建模54

3.4晶体缺陷55

3.4.1晶体缺陷分类55

3.4.2位错缺陷56

3.5晶体缺陷分析技术57

3.5.1中心对称参数（CSP）58

3.5.2共近邻分析（CNA）59

3.5.3 Ackland键角分析（BAD）59

参考文献60

第4章 晶体铜纳米机械加工机理61

4.1纳米机械加工单晶铜61

4.1.1单晶铜纳米机械加工机理61

4.1.2其他参数对纳米机械加工单晶铜的影响66

4.2纳米机械加工双晶铜77

4.2.1包含任意晶界的双晶铜纳米机械加工机理77

4.2.2包含孪晶界的双晶铜纳米机械加工机理81

4.3纳米机械加工纳米晶体铜83

4.3.1全三维纳米晶体铜纳米机械加工机理83

4.3.2准三维柱状纳米晶体铜纳米机械加工机理86

参考文献88

第5章 纳米机械加工亚表面损伤层的定量预测89

5.1晶体铜纳米机械加工亚表面损伤层形成机理90

5.2基于单个原子势能的亚表面变形层定量预测93

5.2.1原子势能的变化模型93

5.2.2基于原子势能的变化模型的亚表面损伤层定量预测94

5.3基于纳米压痕的亚表面损伤层定量预测96

5.3.1基于纳米压痕的亚表面损伤层的硬度的预测模型96

5.3.2基于纳米压痕的亚表面损伤层深度的定量预测98

5.4基于孪晶变形的亚表面损伤层的控制及改善102

5.4.1纳米晶体铜纳米机械加工中孪晶变形103

5.4.2纳米机械加工纳米孪晶铜107

参考文献114

第3篇 基于AFM的纳米机械加工技术117

第6章 基于原子力显微镜的纳米机械加工技术117

6.1 AFM刻划加工的工作模式117

6.1.1 AFM工作原理117

6.1.2 AFM刻划加工原理119

6.1.3恒高刻划加工模式120

6.1.4恒力刻划加工模式121

6.2 AFM探针针尖位置实时检测及加工深度控制122

6.2.1 AFM刻划加工存在的问题122

6.2.2 AFM刻划加工深度实时检测方法123

6.2.3 AFM刻划加工深度控制方法130

6.2.4 AFM微悬臂探针压入样品模型建立131

6.3一种基于AFM的三维微／纳加工系统139

6.3.1总体设计139

6.3.2单片机控制器总体设计141

6.3.3单片机控制器研制144

6.3.4单片机控制器软件实现147

6.3.5上位机软件实现150

参考文献153

第7章 采用AFM探针的纳米机械加工机理及工艺154

7.1刻划力检测方法154

7.1.1悬臂梁3个方向弹性常数的确定155

7.1.2三方向力的确定方法157

7.1.3力表征信号的测量方法162

7.1.4刻划过程中力参数的确定实例165

7.2 AFM微探针纳米机械刻划加工材料去除机理及实验169

7.2.1 AFM探针机械刻划机理169

7.2.2探针形状对材料去除形态的影响170

7.2.3加工深度和表面质量影响因素研究171

7.2.4加工过程刻划力的影响因素研究177

7.3微探针加工工艺参数的优化184

7.4二维微结构AFM探针纳米加工186

7.4.1与AFM刻划软件加工的对比研究186

7.4.2线型结构的加工工艺187

7.4.3二维面型结构的加工工艺188

7.4.4加工过程其他因素影响191

7.5三维微结构AFM探针纳米加工192

7.5.1基于二维加工工艺的三维微结构加工192

7.5.2基于新型纳米加工系统的探针轨迹规划194

7.5.3 AFM微探针三维加工过程195

7.5.4三维连续曲面微结构微探针加工实例196

7.6采用AFM探针加工跨尺度微纳结构201

7.6.1采用AFM探针加工毫米尺度微纳结构的加工装置及加工过程201

7.6.2采用AFM探针加工毫米尺度微纳结构的加工实例203

参考文献204

第4篇 基于AFM的工程应用209

第8章AFM与“自组装”相结合的应用209

8.1基于机械一化学方法的硅表面可控自组装技术研究209

8.1.1硅表面可控自组装单层膜的理论209

8.1.2微加工系统的建立及微加工实验研究210

8.1.3硅表面可控自组装膜的制备及其验证实验研究214

8.1.4硅表面可控自组装膜的应用研究216

8.2基于AFM的聚二甲基硅氧烷（PDMS）自组装及转移印刷微／纳结构219

8.2.1 PDMS的化学结构和特性219

8.2.2 Au/PDMS自组装褶皱图案的分析223

8.2.3调控Au/PDMS自组装褶皱图案的实验研究225

8.3嵌段共聚物自组装模板的制造229

8.3.1嵌段共聚物自组装的理论研究229

8.3.2自组装有序纳米微结构的AFM表征231

8.3.3自组装有序纳米微结构的实验研究233

参考文献237

第9章AFM碳纳米管探针的制备238

9.1 AFM碳纳米管针尖的制作238

9.1.1 AFM碳纳米管针尖的制备过程238

9.1.2 AFM碳纳米管针尖制备的理论分析241

9.1.3 AFM碳纳米管针尖的截断操作244

9.1.4碳纳米管针尖的搭接延长操作244

9.2 AFM碳纳米管针尖的应用245

9.2.1敲击模式和相位成像技术245

9.2.2碳纳米管针尖的力曲线研究246

9.2.3长程力对针尖检测影响的对比研究248

9.2.4毛细力对纳米管针尖和硅针尖的影响研究249

参考文献252

第10章AFM在靶丸检测与加工中的应用253

10.1靶丸表面圆周轮廓的评价方法254

10.1.1表面粗糙度参数254

10.1.2圆度误差254

10.1.3球度误差255

10.1.4靶丸表面模数功率谱评价256

10.2靶丸表面圆周轮廓检测系统研制258

10.2.1系统的测量轨迹方案258

10.2.2测量系统的组成260

10.2.3测量系统的机械结构设计260

10.2.4电控系统及软件的研制262

10.3靶丸表面圆周轮廓的测量实验264

10.3.1正交大圆法测量与评价264

10.3.2等间隔经圆法测量与评价267

10.4激光靶丸表面的纳米机械加工269

10.4.1靶丸充气孔AFM加工技术研究269

10.4.2靶丸表面AFM局部微结构加工实验271

10.4.3靶丸表面圆周调制加工实验及再测量研究271

参考文献274

第11章 基于AFM的癌细胞的机械力学特性研究275

11.1基于AFM癌细胞的静态力学特性的分析275

11.1.1 AFM压痕实验的理论计算275

11.1.2细胞纳米压痕实验277

11.1.3细胞骨架与细胞力学特性的关系281

11.1.4癌细胞黏附特性实验283

11.2癌细胞动态力学特性的研究284

11.2.1小球针尖的制备284

11.2.2癌细胞动态特性测量287

参考文献289

术语索引290