Study on AFM-based nanomachining mechanism and related processing techniques
Yan Yong Da
ABSTRACT
With the invention and development of Scanning Probe Microscopy (SPM) in the last 80s, people can directly observe atomic and molecular structures on the surface. It propelled nanotechnology to develop rapidly in all subject research fields. A new subject, nano science and nano technology, come in to being as the center of new technology revolution of 21st century. Applications of nanotechnology will finally infiltrate all kinds of industrial revolutions of mankind.
Nanomachining technique was one of the important branches of nanotechnology. Nowadays, there were plenty of nanomachining methods. However, by using all these methods, it was difficult to meet the requirements of machining, such as the nanometer resolution and machining complex three-dimensional (3D) nanostructures with nanometer accuracy surface quality. In recent years, based on different roles between the SPM tip and surface, SPM was changed into a reconstructing method. Among SPM-based nanomachining techniques, AFM-based nano mechanical scratching technique can simulate the conventional cutting process with a diamond tool, which was capable of removing materials with thickness in several nanometers, showing its high machining capability. However, this technique was still novel and undeveloped. Some problems, such as removal mechanism at nanometer scale and special properties of AFM as a machining device and machining method, need to be further studied. Until now, it was difficult to fabricate complex 3D high accuracy micro/nano structures by using this technique.
In view of this, a novel nanomachining system integrating an AFM and high precision stage was developed. The AFM-based nano mechanical scratching technique was investigated in terms of: theory and experiments. By using this technique, the machining accuracy of mechanical removal method extended from micron to nanometer. This technique was successfully applied into engineering fields. The detailed contents contained following aspects:
1. Develop a novel AFM-based nanomachining system, and study corresponding processing techniques
The system was made up of an AFM and high precision 3D stage. Based on this system, the complex micro/nano structures can be machined by using mechanical scratching and anodic oxidation methods. The machining range was determined by the moving range of stage (100μm×100μm). The machining accuracy can achieve several nanometers. The machining property can be changed further by changing the probe.
Based on the developed system, effects of machining parameters (scratching velocity, scratching depth, feed, scratching directions etc.) were studied systemically. Following conclusions were achieved:
(1) The scratching velocity had little effects on the surface roughness, scratching depth, and scratching forces.
(2) With an increase in the scratching depth, the surface roughness and scratching forces increased correspondingly.
(3) An increase in the feed resulted in the increase of the horizontal scratching force; When the feed reached to the value which was related to tip apex radius of 120 nm in the present study, 3D scratching forces reached to a saturation state; When machining along the long axis of cantilever, the scratching depth decreased with the increase of the feed, and the variation of surface roughness had a inflexion. 
(4) The scratching depth was smaller, and the surface was therefore smoother by using the scratching direction along the long axis of cantilever, rather than perpendicular to it. But when machining perpendicular to the long axis of cantilever, the scratching depth and surface roughness increased monotonously with the feed.
2. Molecular dynamics simulation of nano scratching process based on the novel nanomachining system
With the decrease in machining dimensions, the removed atom numbers of the nano system decreased greatly. Macro fixed quasi continuous energy grade disappeared instead by arising of the separate energy grades. Quanta effect was remarkable. Physical properties such as light, heat, electricity, magnetism, and mechanics etc. of nano system were different from conventional materials. Some unfamiliar properties will arise correspondingly. However, because of lack of essential instruments, the instantaneous special states and phenomenon of machining process at nanometer scale can not be effectively observed and recorded. Therefore, study on nano scale materials removal mechanism was a difficult problem. Molecular Dynamics (MD) simulation approach showed the possibility of solving this problem. The works on this issue in the present study were:
(1) A new model of analyzing the local deformation features based on variations in the atom potential was presented. It broken through the limit of conventional method: the deformation was analyzed by the whole energy variations of the workpiece which provided an effective approach to analyze local nano scale deformation of the workpiece during machining. 
(2) The definition of cutting ratio of the tip (the part of the tip in cutting state/the part of the tip in non-cutting state) was presented. By using this parameter, materials removal states at different scratching depths and with different tip apex radius can be determined. It provided the theoretical instructions on selection of the tip for effectively removing nanoscale materials during nanomachining.
(3) A MD simulation model of machining concave structures by the tip was presented. From the points of scratching forces and energy variations, the effect of relaxation process between two scratches on the scratching process was revealed. It provided a reference for studying complex nanomachining procedure by the MD approach.
3. Present a method of measuring 3D forces of AFM tip based on cantilever deflection   
The forces signals during machining process can provide materials removal information. To achieve a deeper insight into materials removal mechanism during nanomachining, variations in forces during machining process must be investigated. However, the removal materials were in the nanometer scale during nanomachining, and the corresponding forces ranged from several tens to several hundreds of micro Newtons. But now, the method of measuring forces at the level of micro Newtons was not available. It was an obstacle for studying nano mechanical machining process and mechanism. Therefore, the following works were carried out:
(1) A new method of measuring scratching forces of the tip based on cantilever deflection was presented. It can provide important information of scratching forces for nanomachining process. The effects of setting parameters of AFM system and precision stage on measurement results were analyzed.
(2) From the point of specific energy, MD simulation results were verified. AFM experimental results by using the force measurement method and MD simulation results both showed that when scratching single crystal copper, the specific energy decreased with the increase in the ratio between the scratching depth and tip apex radius. Both results agreed well with reported experimental and simulation results of famous scholars, for example, Belak et al, which verified the force measurement method. 
(3) By using the force measurement approach presented in this work, the experimental results verified the feasibility of judging the critical cutting state by using the ratio between the cutting and thrust forces (This judgment was achieved by reported previous studies using the MD simulation method. No experiments verified the results before.).
4. Applications of AFM-based diamond tip nano mechanical machining technique 
Based on the development of AFM-based novel nanomachining system, study of the corresponding machining process, as well as the related theories, this technique had been applied in the field of machining micro inflation hole on the surface of Inertial Confinement Fusion (ICF) target, controlled self-assembly process on the silicon surface, and the local surface quality improvement of brittle materials surface pre-machined by diamond turning with satisfied results achieved.
(1) A method was presented to fabricate micro inflation holes on the surface of micro (with diameter in 0.2-0.5mm), hollow and thin wall thickness (with the wall thickness in 0.8-1.2 µm), and glass target ball. The perfect micro inflation tapered holes suitable for ICF experiments were fabricated. It solved the unsolved and difficult problem for the application side.
(2) A new combination method integrating “bottom-up” and “top-down” methods was presented. The AFM-based nano scratching method was integrated with the self-assembly process approach. The hexadecane self-assembly micro/nano compound patterns on the silicon surface were obtained, which provided a novel method for machining micro/nano compound structures.
(3) A novel method was presented to remove micro/nano cracks on the brittle materials surface machined by conventional ultra precision diamond turning. It provided a new effective method for local surface quality improvement and local cracks removing of the ultra precision machined surface.
The key innovative deliverables of this paper was summarized below,
(1) A new model of analyzing the local deformation features based on variations in the atom potential was presented. It broken through the limit of the conventional method, that is, the deformation was analyzed by the whole energy variations of the workpiece.
(2) A method of measuring 3D scratching forces during AFM tip scratching process was presented. This method was successfully applied in the selection of tip geometry and machining parameters. By using this method, MD simulation results were verified from the point of specific energy.  
(3) An AFM-based nanomachining system was developed. By using nanoscratching method, some kinds of complex micro 2D/3D structures were fabricated. The difficult problem of fabricating micro taper inflation hole on the micro, hollow, and thin wall target ball surface, was successfully solved by using this technique.
(4) A new combination method integrating “bottom-up” and “top-down” methods was presented. AFM-based nano scratching method was integrated with self-assembly process approach. Through this, the hexadecane self-assembly micro/nano compound patterns on the silicon surface were obtained.
 Moreover, based on the PhD thesis’s work, by using this technique, the complex 3D continuous curved structures, such as, human face, sine wave, and triangle microstructures etc. with the dimensions of microns and the accuracy of nanometer, were fabricated. Within 20μm×20μm, the human face of H. Rohrer who is one of the inventors of STM and AFM was made and given to him as a gift.

Key words: Atomic Force Microscope (AFM), diamond tip, nanomachining, Molecular Dynamics (MD), microstructure

上一页12下一页