吴修娟 曲宁松 曾永彬 王玉峰 朱 荻

(南京航空航天大学机电学院,南京 210016)

随着科学技术的飞速发展,功能结构的微型化已成为光学、电子、生物、航空航天等各个领域的发展趋势,结构尺寸也相应减少到微米量级,甚至是纳米量级,因此微纳加工技术成为国内外学者研究的热点．目前,微纳加工技术主要包括微细切削、微细磨削、微细铣削、LIGA/准LIGA、微细电火花、微细电解、飞秒激光等[1-3]．其中,微细电解加工技术将工件阳极在加工过程中以离子形式蚀除,具有离子尺度的加工能力,是一种非常有发展潜力的微纳加工技术．2000年,Schuster等[4-5]首次采用纳秒脉宽脉冲电源,成功加工出特征尺寸为数微米的微细零件;2003年,Trimmer等[6]利用成形电极及2ns脉宽脉冲电源,在镍片上成功加工出槽宽约90nm的结构,充分展示了微细电解加工技术在微纳制造领域的加工潜力．

在微纳电解加工中,微结构的尺寸很大程度上取决于电极的特征尺寸．常见的亚微米/纳米电极主要有尖锥状和棒状2种．亚微米/纳米尖锥状电极的制备方法主要有电化学刻蚀[7-9]、机械剪切、受控爆裂、火焰磨削等．制备出的电极针尖圆弧半径一般在10～100nm范围内,电极尖端为尖锥状且锥度大,若采用该电极进行电解加工,加工出的结构侧壁有很大的锥度．亚微米/纳米棒状电极可采用聚焦离子铣削、自组装技术等方法获得．Trimmer等[6]运用聚焦粒子束铣削技术加工工具电极,在原有直径为100μm的钨丝端面上铣削出2×2阵列的柱状电极．然而,聚焦离子铣削设备昂贵,制备电极成本高．自组装技术是用来制备微纳米级结构的主要手段,组装过程是自动自发的,不需要昂贵的加工设备,因此具有成本低的特点[10]．随着科学技术的发展,将纳米线自组装在AFM或者STM探针尖端的技术已发展得较为成熟,其中一个典型范例是自组装了Ag的单晶金属纳米线的STM探针．该探针长径比大、导电性好,具有作为亚微米电解加工工具电极的潜力,但目前尚无人将其应用于电解加工．

本文将针尖尖端自组装了Ag金属纳米线的STM探针作为工具电极,进行亚微米电解加工试验探索．

1 亚微米电解加工系统

采用如图1所示的亚微米电解加工试验平台进行试验研究．该试验平台主要由运动控制系统、视频采集系统及电流信号监测系统组成．工具电极通过电极夹具与Z轴相连接．工件固定在电解液槽内,电解液槽放置于X/Y运动台上．该装置的运动控制系统由德国PI公司生产的X/Y/Z微纳移动台和C843运动控制卡组成,后者用于控制X/Y/Z运动轴的运动轨迹．X/Y/Z运动轴采用直流伺服电机-精密滚珠丝杠进给方案和光电编码器反馈位置信息的半闭环控制,可以实现0.1μm/步的进给分辨率和0.2μm的单向运动精度．视频采集系统由光学镜筒、CCD及视频采集卡组成．利用视频采集系统,在阴极和工件距离较远时,实现阴极向工件的快速进给,缩短进给时间;在加工过程中,还可以通过视觉直观观测加工情况．电流信号监测系统主要负责加工过程中的信号监测,通过泰克示波器和数据采集卡实现,电流信号表明加工状态,并根据情况给出相应的控制策略,从而保证加工的稳定性．

图1 亚微米电解加工平台

2 Ag纳米线工具电极的稳定性

2.1 Ag纳米线工具电极

试验中采用的Ag纳米线直径约为100nm,长度约8～10μm,电阻率约为1.00×10-7～1.01×10-7Ω·m．在亚微米电解加工平台上,将Ag纳米线电极装在机床夹具上．室温条件下,电解液采用浓度为0.1mol/L的H2SO4溶液,纳秒脉冲电源的电压为4V,脉冲周期为50,100ns,脉冲脉宽为6ns．

Ag纳米线电极在电解液中浸泡30min后的形貌见图2(a),在电解液中通电后的形貌见图2(b)．由图可知,在不通电的情况下,Ag纳米线没有发生溶解．通电后,当脉冲周期为50,100ns时,Ag纳米线均产生了溶解,而且在较短时间内,Ag纳米线已完全溶解．

在Ag纳米线电极中,w(Ag)=70%,w(Ga)=30%．Ag和Ga在常温空气环境下化学性质比较稳定．Ag易溶于稀硝酸、热的浓硫酸和盐酸以及熔融的氢氧化碱中,不与稀盐酸或稀硫酸反应．Ga加热后可溶于酸和碱,与沸水反应剧烈．作为亚微米电解加工的工具电极,Ag和Ga在室温条件下的低浓度酸溶液中不发生反应．但是在接通电源的情况下,电化学过程中产生的焦耳热及反应热使其周围电解液温度升高,从而导致Ga与电解液发生如下反应:

图2 Ag纳米线电极形貌变化

(1)

(2)

为了防止纳米线电极在亚微米电解加工中溶解,必须对其进行表面处理．

2.2 溅射时间对Ag纳米线稳定性的影响

Au的化学性质不活泼,只能溶于王水等腐蚀性较强的溶液中．故可以在Ag纳米线电极上溅射一层Au,使Ag,Ga不与电解液接触,从而保证纳米线电极不被溶解．试验中采用BALTEC SCD005型离子溅射仪进行溅射Au处理,真空度为1×10-1～1×10-2Pa,电流为33mA．

图3为纳米线尺寸随着喷金时间的变化图．由图可知,当溅射时间为80s时,溅射层厚度约55nm,纳米线直径约210nm．随着溅射时间的增加,溅射层厚度不断增加,纳米线尺寸不断增大．当溅射时间为240s时,溅射层厚度增至310nm,纳米线直径为720nm．

图3 纳米线直径随溅射时间的变化

将溅射处理后的电极分别置于电解液中并通电．脉冲电源电压为4V,脉冲周期为50ns,脉冲脉宽为6ns．图4(a)为溅射处理80s后Ag纳米线电极的形貌照片,通电后其形貌见图4(b),可见此纳米线在通电过程中仍产生溶解．图4(c) 为溅射处理120s后电极的形貌照片,该电极通电后不发生溶解(见图4(d))．图4(e)为溅射处理240s后Ag纳米线电极的形貌照片,由图可知,过厚的溅射层所产生的内应力使Ag纳米线发生弯曲,故不适用于电解加工．

图4 溅射后的Ag纳米线工具电极及通电后形貌

由此可见,溅射层的厚度对Ag纳米线工具电极的稳定性至关重要．若膜层太薄,工具电极表面的Au不够致密,不能完全包裹纳米线,通电时纳米线仍会与电解液接触产生反应．若溅射层太厚,纳米线电极尺寸太大,且会产生较大的内应力使纳米线发生弯曲．因此,在本试验中Ag纳米线的溅射时间选择以120s为宜．

3 亚微米电解加工试验

利用溅射处理120s后的Ag纳米线电极进行亚微米电解加工试验．纳米线为圆柱状,端部直径约400nm．工件材料选用厚度为5mm的GH4169合金,电解液选取室温下浓度为0.1mol/L的H2SO4溶液．通过施加电压为4V、脉冲周期为50ns、脉冲脉宽为6ns的纳秒脉冲电流,依次加工出深度为25,80,120nm的亚微米沟槽．

利用原子力显微镜扫描得到的沟槽的三维形貌如图5(a)所示．对加工出的沟槽的不同深度进行剖面分析,3个剖面轮廓如图5(b)所示．由图可知,A-A剖面深度约为25nm,B-B剖面深度约为80nm,C-C剖面深度约为120nm．加工出的沟槽入口尺寸大,底部尺寸小,侧壁均有锥度．加工深度为25nm时,沟槽底部尺寸约为328nm；加工深度为80nm时,沟槽底部增加到450nm;加工深度增加到120nm时,沟槽底部尺寸反而减小到125nm．

图5 沟槽及其剖面曲线

在阴、阳电极之间施加纳秒脉宽时,电极电位并未立刻达到峰值电位,而是经过一个表面双电层充电的暂态过程,工具电极表面与工件表面均存在双电层(见图6)．

图6 纳秒脉冲加工模型

随着时间的推移,双电层不断被充电,阳极电极电位逐渐增大,达到工件的分解电位时,工件开始溶解．双电层充放电速度与双电层的充放电时间常数τ相关．双电层的充放电时间常数为

τ=CR

(3)

式中,C为双电层电容；R为电极等效电路电阻．

[11-12]的研究结果,试验中双电层电容C的取值范围选取为125.6～ 251.2fF．电极等效电路电阻R包括电化学反应法拉第电阻Rf和电解液等效电阻Re．其中,电解液等效电阻可表示为

(4)

式中,σ为电解液电导率;d为工具电极与工件之间的距离．电解液等效电阻随着电解液电导率σ及距离d的变化而变化．

本试验采用静液加工,加工区电解产物与新鲜电解液的交换主要依靠离子扩散．靠近工件表面的离子扩散比较容易,沟槽内部的离子扩散比较困难,故电解液电导率σ在沿工具电极轴向的间隙内存在差异．由式(3)和(4)可知,σ的差异会导致双电层充放电常数τ的差异．因此,在脉宽为6ns的加工条件下,工具电极在轴向方向上具有不同的蚀除量,使得加工出的沟槽入口尺寸大于底部,侧壁有锥度．当加工深度大于80nm时,沟槽底部离子扩散困难,充放电时间常数τ变大,蚀除量减小．相对于深度为80nm的沟槽,深度为120nm的沟槽底部尺寸较窄．

由此可知,当加工深度为25,80nm时,加工出的沟槽底部轮廓较好;当加工深度为120nm时,加工出的沟槽底部尖锐,与尖锥状电极加工出的轮廓相似．因此,设置加工深度为80nm,加工参数不变,加工出的沟槽长约30μm,其局部形貌图及剖面轮廓图见图7．由图可知,该沟槽底部最窄处约为450 nm,入口最宽处约为1 μm．

4 结论

1) 对自组装的单晶Ag纳米线进行表面溅射处理,以制备亚微米工具电极．试验结果表明,处理时间为120s时的Ag纳米线电极适用于亚微米电解加工．

2) 利用溅射处理后的Ag纳米线依次加工出深度为25,80,120nm的亚微米沟槽．结果表明,当加工深度大于80nm时,沟槽底部电解液的电导率随着产物不断积聚而下降,沟槽底部尺寸变窄．

3) 试验中采用的加工参数为:电解液为0.1mol/L的H2SO4溶液,电压为4V,脉冲周期为50ns,脉冲宽度为6ns．加工出的亚微米沟槽长约30μm,深约80nm,底部最窄处约为450nm,入口最宽处约1μm．

图7 加工出的图形形貌及其剖面图

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