郭劍 鄭雪飛 袁鋒偉

【摘要】本文針對(duì)金屬玻璃，提出一種基于探針機(jī)械刻蝕作用的表面納米加工實(shí)驗(yàn)方法，應(yīng)用于金屬玻璃納米加工的探索性與延伸性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生在實(shí)踐中把握金屬玻璃和微納制造學(xué)術(shù)前沿，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

【關(guān)鍵詞】納米制造 金屬玻璃 機(jī)械刻蝕

【基金項(xiàng)目】南華大學(xué)2015年度學(xué)位與研究生教育教研教改項(xiàng)目（2015JG021）。

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2019）03-0241-02

金屬玻璃又稱非晶合金，是合金的熔融態(tài)在快速冷卻過(guò)程中未發(fā)生結(jié)晶而直接形成長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序的物質(zhì)，它既兼具金屬和玻璃的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了它們各自的弊病，因此被人們授予“玻璃之王”的美譽(yù)。金屬玻璃由于具有強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、耐腐蝕等特性，是微納器件優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料。微納制造是獲得微納器件的途徑，是支撐納米科技走向應(yīng)用的基礎(chǔ)。為加快金屬玻璃微納器件的實(shí)用化進(jìn)程，研究開(kāi)發(fā)適合于金屬玻璃的納米加工方法勢(shì)在必行?；趻呙杼结樀臋C(jī)械刻蝕法是一種最直接的掃描探針納米加工方法，具有簡(jiǎn)單、靈活、分辨率高等優(yōu)勢(shì)。機(jī)械刻蝕的加工過(guò)程非常簡(jiǎn)單，在原子力顯微鏡或納米劃痕儀上，利用探針對(duì)樣品表面進(jìn)行刻劃產(chǎn)生劃痕，便可實(shí)現(xiàn)材料表面結(jié)構(gòu)的“直寫(xiě)”式加工，獲得諸如孔洞、溝槽、面坑等納米結(jié)構(gòu)。然而由于金屬玻璃材料本身的難加工特性，目前針對(duì)金屬玻璃表面機(jī)械刻蝕納米加工方法的研究偏少，亟待開(kāi)展相關(guān)的研究提出適宜于金屬玻璃這種特殊材料的機(jī)械刻蝕納米加工方法。

高校學(xué)生普遍對(duì)金屬玻璃材料與微納制造領(lǐng)域的了解較少，相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)相對(duì)薄弱，尤其缺乏針對(duì)納米加工技術(shù)方向所開(kāi)展的科學(xué)實(shí)驗(yàn)類實(shí)踐活動(dòng)。為加強(qiáng)學(xué)生對(duì)金屬玻璃的材料特性與金屬玻璃表面納米加工這一前沿學(xué)術(shù)熱點(diǎn)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，同時(shí)提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，本文提出一種利用掃描探針的機(jī)械刻蝕作用在金屬玻璃表面進(jìn)行納米加工的實(shí)驗(yàn)方法，并應(yīng)用于金屬玻璃、納米加工、微納制造前沿等相關(guān)課程內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1.實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)設(shè)備

（1）實(shí)驗(yàn)材料：濺鍍?cè)趩尉Ч杌咨系腪r-Ti-Ni（鋯-鈦-鎳）三元金屬玻璃薄膜（其中Zr、Ti、Ni元素的百分比含量分別為40%、34%、26%；金屬玻璃薄膜的厚度約為2 μm）、用于納米加工的金剛石探針、用于實(shí)驗(yàn)清洗的丙酮、乙醇、去離子水、燒杯、干凈氮?dú)獾炔牧稀＃?）實(shí)驗(yàn)設(shè)備：維氏硬度儀、納米劃痕儀、原子力顯微鏡、超聲清洗儀。

2.實(shí)驗(yàn)方法和步驟

（1）清洗：將Zr-Ti-Ni金屬玻璃樣品依次置于丙酮、乙醇和去離子水中，利用超聲清洗儀反復(fù)清洗3-5次，每次時(shí)間為3-5分鐘，清洗完畢后在干凈氮?dú)庀麓蹈桑瑐溆谩?/p>

（2）標(biāo)記：利用維氏硬度儀在樣品的實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行壓痕標(biāo)記，便于加工后對(duì)所加工的納米溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行原子力顯微鏡的形貌掃描；將樣品浸入乙醇、去離子水中，利用超聲清洗儀再次清洗樣品，以防在做壓痕標(biāo)記的過(guò)程中對(duì)樣品可能造成的污染。

（3）納米加工：?jiǎn)?dòng)納米劃痕儀，控制金剛石探針按照設(shè)定的法向載荷Fn、刻劃速度v、刻劃長(zhǎng)度L、刻劃次數(shù)N等參數(shù)，在金屬玻璃表面的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行刻劃，即可獲得納米溝槽結(jié)構(gòu)。圖1（a）示出了采用金剛石探針進(jìn)行機(jī)械刻蝕納米加工的情形。

3.實(shí)驗(yàn)案例與分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方法和步驟，在Zr-Ti-Ni金屬玻璃表面進(jìn)行了一系列的機(jī)械刻蝕納米加工實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用本文提出的機(jī)械刻蝕法可以快速地在Zr-Ti-Ni金屬玻璃表面加工出納米溝槽結(jié)構(gòu)。例如，圖1（b）示出了在Zr-Ti-Ni金屬玻璃樣品加工出的納米溝槽結(jié)構(gòu)，納米加工的形貌系采用原子力顯微鏡對(duì)納米溝槽區(qū)域進(jìn)行原位掃描獲得。其中加工該溝槽的實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：金剛石探針的曲率半徑R=5 μm、法向載荷Fn=8 mN、刻劃速度v=5 μm/s、刻劃長(zhǎng)度L=10 μm、刻劃次數(shù)N=1。

與光刻、納米壓印、聚焦離子束刻蝕等納米加工方法相比，本文所提出的在金屬玻璃表面進(jìn)行機(jī)械刻蝕納米加工的實(shí)驗(yàn)方法更容易在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展，更方便進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的推廣。該方法不僅可應(yīng)用于本科生或研究生有關(guān)納米加工技術(shù)的探索性、延伸性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生在實(shí)踐中加深對(duì)納米制造這一前沿科技的認(rèn)識(shí)，還可以通過(guò)該實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)意識(shí)和創(chuàng)新精神，提高分析和解決交叉學(xué)科中基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的能力。

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