亞微米電解加工的試驗(yàn)研究

吳修娟 曲寧松 曾永彬 王玉峰 朱荻

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016)

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，功能結(jié)構(gòu)的微型化已成為光學(xué)、電子、生物、航空航天等各個領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，結(jié)構(gòu)尺寸也相應(yīng)減少到微米量級，甚至是納米量級，因此微納加工技術(shù)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn).目前，微納加工技術(shù)主要包括微細(xì)切削、微細(xì)磨削、微細(xì)銑削、LIGA/準(zhǔn)LIGA、微細(xì)電火花、微細(xì)電解、飛秒激光等［1-3］.其中，微細(xì)電解加工技術(shù)將工件陽極在加工過程中以離子形式蝕除，具有離子尺度的加工能力，是一種非常有發(fā)展?jié)摿Φ奈⒓{加工技術(shù).2000 年，Schuster等［4-5］首次采用納秒脈寬脈沖電源，成功加工出特征尺寸為數(shù)微米的微細(xì)零件；2003 年，Trimmer等［6］利用成形電極及 2 ns脈寬脈沖電源，在鎳片上成功加工出槽寬約90 nm的結(jié)構(gòu)，充分展示了微細(xì)電解加工技術(shù)在微納制造領(lǐng)域的加工潛力.

在微納電解加工中，微結(jié)構(gòu)的尺寸很大程度上取決于電極的特征尺寸.常見的亞微米/納米電極主要有尖錐狀和棒狀2種.亞微米/納米尖錐狀電極的制備方法主要有電化學(xué)刻蝕［7-9］、機(jī)械剪切、受控爆裂、火焰磨削等.制備出的電極針尖圓弧半徑一般在10～100 nm范圍內(nèi)，電極尖端為尖錐狀且錐度大，若采用該電極進(jìn)行電解加工，加工出的結(jié)構(gòu)側(cè)壁有很大的錐度.亞微米/納米棒狀電極可采用聚焦離子銑削、自組裝技術(shù)等方法獲得.Trimmer等［6］運(yùn)用聚焦粒子束銑削技術(shù)加工工具電極，在原有直徑為100 μm的鎢絲端面上銑削出2×2陣列的柱狀電極.然而，聚焦離子銑削設(shè)備昂貴，制備電極成本高.自組裝技術(shù)是用來制備微納米級結(jié)構(gòu)的主要手段，組裝過程是自動自發(fā)的，不需要昂貴的加工設(shè)備，因此具有成本低的特點(diǎn)［10］.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將納米線自組裝在AFM或者STM探針尖端的技術(shù)已發(fā)展得較為成熟，其中一個典型范例是自組裝了Ag的單晶金屬納米線的STM探針.該探針長徑比大、導(dǎo)電性好，具有作為亞微米電解加工工具電極的潛力，但目前尚無人將其應(yīng)用于電解加工.

本文將針尖尖端自組裝了Ag金屬納米線的STM探針作為工具電極，進(jìn)行亞微米電解加工試驗(yàn)探索.

1 亞微米電解加工系統(tǒng)

采用如圖1所示的亞微米電解加工試驗(yàn)平臺進(jìn)行試驗(yàn)研究.該試驗(yàn)平臺主要由運(yùn)動控制系統(tǒng)、視頻采集系統(tǒng)及電流信號監(jiān)測系統(tǒng)組成.工具電極通過電極夾具與Z軸相連接.工件固定在電解液槽內(nèi)，電解液槽放置于X/Y運(yùn)動臺上.該裝置的運(yùn)動控制系統(tǒng)由德國PI公司生產(chǎn)的X/Y/Z微納移動臺和C843運(yùn)動控制卡組成，后者用于控制X/Y/Z運(yùn)動軸的運(yùn)動軌跡.X/Y/Z運(yùn)動軸采用直流伺服電機(jī)-精密滾珠絲杠進(jìn)給方案和光電編碼器反饋位置信息的半閉環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)0.1 μm/步的進(jìn)給分辨率和0.2 μm的單向運(yùn)動精度.視頻采集系統(tǒng)由光學(xué)鏡筒、CCD及視頻采集卡組成.利用視頻采集系統(tǒng)，在陰極和工件距離較遠(yuǎn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)陰極向工件的快速進(jìn)給，縮短進(jìn)給時(shí)間；在加工過程中，還可以通過視覺直觀觀測加工情況.電流信號監(jiān)測系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)加工過程中的信號監(jiān)測，通過泰克示波器和數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)，電流信號表明加工狀態(tài)，并根據(jù)情況給出相應(yīng)的控制策略，從而保證加工的穩(wěn)定性.

圖1 亞微米電解加工平臺

2 Ag納米線工具電極的穩(wěn)定性

2.1 Ag納米線工具電極

試驗(yàn)中采用的Ag納米線直徑約為100 nm，長度約8～10 μm，電阻率約為 1.00 ×10－7～1.01 ×10－7Ω·m.在亞微米電解加工平臺上，將Ag納米線電極裝在機(jī)床夾具上.室溫條件下，電解液采用濃度為0.1 mol/L的H2SO4溶液，納秒脈沖電源的電壓為4 V，脈沖周期為50，100 ns，脈沖脈寬為6 ns.

Ag納米線電極在電解液中浸泡30 min后的形貌見圖2(a)，在電解液中通電后的形貌見圖2(b).由圖可知，在不通電的情況下，Ag納米線沒有發(fā)生溶解.通電后，當(dāng)脈沖周期為50，100 ns時(shí)，Ag納米線均產(chǎn)生了溶解，而且在較短時(shí)間內(nèi)，Ag納米線已完全溶解.

在Ag納米線電極中，w(Ag)=70%，w(Ga)=30%.Ag和Ga在常溫空氣環(huán)境下化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定.Ag易溶于稀硝酸、熱的濃硫酸和鹽酸以及熔融的氫氧化堿中，不與稀鹽酸或稀硫酸反應(yīng).Ga

圖2 Ag納米線電極形貌變化

為了防止納米線電極在亞微米電解加工中溶解，必須對其進(jìn)行表面處理.

2.2 濺射時(shí)間對Ag納米線穩(wěn)定性的影響

Au的化學(xué)性質(zhì)不活潑，只能溶于王水等腐蝕性較強(qiáng)的溶液中.故可以在Ag納米線電極上濺射一層Au，使Ag，Ga不與電解液接觸，從而保證納米線電極不被溶解.試驗(yàn)中采用BALTEC SCD005型離子濺射儀進(jìn)行濺射Au處理，真空度為1×10－1～1 ×10－2Pa，電流為33 mA.

圖3為納米線尺寸隨著噴金時(shí)間的變化圖.由圖可知，當(dāng)濺射時(shí)間為80 s時(shí)，濺射層厚度約55 nm，納米線直徑約210 nm.隨著濺射時(shí)間的增加，濺射層厚度不斷增加，納米線尺寸不斷增大.當(dāng)濺射時(shí)間為240 s時(shí)，濺射層厚度增至310 nm，納米線直徑為720 nm.加熱后可溶于酸和堿，與沸水反應(yīng)劇烈.作為亞微米電解加工的工具電極，Ag和Ga在室溫條件下的低濃度酸溶液中不發(fā)生反應(yīng).但是在接通電源的情況下，電化學(xué)過程中產(chǎn)生的焦耳熱及反應(yīng)熱使其周圍電解液溫度升高，從而導(dǎo)致Ga與電解液發(fā)生如下反應(yīng):

圖3 納米線直徑隨濺射時(shí)間的變化

將濺射處理后的電極分別置于電解液中并通電.脈沖電源電壓為4 V，脈沖周期為50 ns，脈沖脈寬為6 ns.圖4(a)為濺射處理80 s后Ag納米線電極的形貌照片，通電后其形貌見圖4(b)，可見此納米線在通電過程中仍產(chǎn)生溶解.圖4(c)為濺射處理120 s后電極的形貌照片，該電極通電后不發(fā)生溶解(見圖4(d)).圖4(e)為濺射處理240 s后Ag納米線電極的形貌照片，由圖可知，過厚的濺射層所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力使Ag納米線發(fā)生彎曲，故不適用于電解加工.

圖4 濺射后的Ag納米線工具電極及通電后形貌

由此可見，濺射層的厚度對Ag納米線工具電極的穩(wěn)定性至關(guān)重要.若膜層太薄，工具電極表面的Au不夠致密，不能完全包裹納米線，通電時(shí)納米線仍會與電解液接觸產(chǎn)生反應(yīng).若濺射層太厚，納米線電極尺寸太大，且會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力使納米線發(fā)生彎曲.因此，在本試驗(yàn)中Ag納米線的濺射時(shí)間選擇以120 s為宜.

3 亞微米電解加工試驗(yàn)

利用濺射處理120 s后的Ag納米線電極進(jìn)行亞微米電解加工試驗(yàn).納米線為圓柱狀，端部直徑約400 nm.工件材料選用厚度為5 mm的GH4169合金，電解液選取室溫下濃度為0.1 mol/L的H2SO4溶液.通過施加電壓為4 V、脈沖周期為50 ns、脈沖脈寬為6 ns的納秒脈沖電流，依次加工出深度為25，80，120 nm的亞微米溝槽.

利用原子力顯微鏡掃描得到的溝槽的三維形貌如圖5(a)所示.對加工出的溝槽的不同深度進(jìn)行剖面分析，3個剖面輪廓如圖5(b)所示.由圖可知，A-A剖面深度約為25 nm，B-B剖面深度約為80 nm，C-C剖面深度約為120 nm.加工出的溝槽入口尺寸大，底部尺寸小，側(cè)壁均有錐度.加工深度為25 nm時(shí)，溝槽底部尺寸約為328 nm；加工深度為80 nm時(shí)，溝槽底部增加到450 nm；加工深度增加到120 nm時(shí)，溝槽底部尺寸反而減小到125 nm.

圖5 溝槽及其剖面曲線

在陰、陽電極之間施加納秒脈寬時(shí)，電極電位并未立刻達(dá)到峰值電位，而是經(jīng)過一個表面雙電層充電的暫態(tài)過程，工具電極表面與工件表面均存在雙電層(見圖6).

◎一旦發(fā)生高熱驚厥，要冰水敷額、使用退熱藥物、側(cè)臥位防止嘔吐堵塞呼吸道、保持呼吸道暢通，同時(shí)立即就醫(yī)。

圖6 納秒脈沖加工模型

隨著時(shí)間的推移，雙電層不斷被充電，陽極電極電位逐漸增大，達(dá)到工件的分解電位時(shí)，工件開始溶解.雙電層充放電速度與雙電層的充放電時(shí)間常數(shù)τ相關(guān).雙電層的充放電時(shí)間常數(shù)為

式中，C為雙電層電容；R為電極等效電路電阻.

［11-12］的研究結(jié)果，試驗(yàn)中雙電層電容C的取值范圍選取為125.6～251.2 fF.電極等效電路電阻R包括電化學(xué)反應(yīng)法拉第電阻Rf和電解液等效電阻Re.其中，電解液等效電阻可表示為

式中，σ為電解液電導(dǎo)率；d為工具電極與工件之間的距離.電解液等效電阻隨著電解液電導(dǎo)率σ及距離d的變化而變化.

本試驗(yàn)采用靜液加工，加工區(qū)電解產(chǎn)物與新鮮電解液的交換主要依靠離子擴(kuò)散.靠近工件表面的離子擴(kuò)散比較容易，溝槽內(nèi)部的離子擴(kuò)散比較困難，故電解液電導(dǎo)率σ在沿工具電極軸向的間隙內(nèi)存在差異.由式(3)和(4)可知，σ的差異會導(dǎo)致雙電層充放電常數(shù)τ的差異.因此，在脈寬為6 ns的加工條件下，工具電極在軸向方向上具有不同的蝕除量，使得加工出的溝槽入口尺寸大于底部，側(cè)壁有錐度.當(dāng)加工深度大于80 nm時(shí)，溝槽底部離子擴(kuò)散困難，充放電時(shí)間常數(shù)τ變大，蝕除量減小.相對于深度為80 nm的溝槽，深度為120 nm的溝槽底部尺寸較窄.

由此可知，當(dāng)加工深度為25，80 nm時(shí)，加工出的溝槽底部輪廓較好；當(dāng)加工深度為120 nm時(shí)，加工出的溝槽底部尖銳，與尖錐狀電極加工出的輪廓相似.因此，設(shè)置加工深度為80 nm，加工參數(shù)不變，加工出的溝槽長約30 μm，其局部形貌圖及剖面輪廓圖見圖7.由圖可知，該溝槽底部最窄處約為450 nm，入口最寬處約為1 μm.

4 結(jié)論

1)對自組裝的單晶Ag納米線進(jìn)行表面濺射處理，以制備亞微米工具電極.試驗(yàn)結(jié)果表明，處理時(shí)間為120 s時(shí)的Ag納米線電極適用于亞微米電解加工.

2)利用濺射處理后的Ag納米線依次加工出深度為25，80，120 nm的亞微米溝槽.結(jié)果表明，當(dāng)加工深度大于80 nm時(shí)，溝槽底部電解液的電導(dǎo)率隨著產(chǎn)物不斷積聚而下降，溝槽底部尺寸變窄.

圖7 加工出的圖形形貌及其剖面圖

3)試驗(yàn)中采用的加工參數(shù)為:電解液為0.1 mol/L的H2SO4溶液，電壓為4 V，脈沖周期為50 ns，脈沖寬度為6 ns.加工出的亞微米溝槽長約30 μm，深約80 nm，底部最窄處約為450 nm，入口最寬處約1 μm.

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