基于有限元方法的掃描探針納米尺度放電電場研究.pdf

1、納米尺度放電因其在納米加工、微納機電系統(tǒng)設計及納米材料表面分析等領域廣闊的應用前景而逐漸發(fā)展成為一個重要的研究方向。尤其是在設計制造各種基于納米尺度放電現(xiàn)象進行納米加工或納米成型的系統(tǒng)方面，已受到國內(nèi)外學術界的廣泛關注。氣體放電過程是一個多因素影響的復雜隨機過程，而對于納米尺度放電現(xiàn)象，經(jīng)典的氣體放電理論可能不再適用，納米尺度放電起始的機理涉及到更深層次的量子理論，放電過程也會出現(xiàn)一些不同于大尺度氣體放電的特殊現(xiàn)象。另外，目前用于納米尺

2、度放電研究的實驗平臺并不成熟，這也導致對納米尺度放電現(xiàn)象的研究更加困難。
　　 在納米科技等前沿問題的研究中，實驗的研究方法往往存在尺度和精度的問題，而計算機仿真工具有效地突破了這些限制條件。因此，本文建立了基于掃描探針的納米尺度放電模型并進行有限元仿真計算，對掃描探針放電時納米尺度放電間隙內(nèi)電場分布規(guī)律進行系統(tǒng)的研究。初步探索了大氣環(huán)境中掃描探針放電現(xiàn)象隨探針形態(tài)、激勵電壓以及放電間隙等參數(shù)變化的規(guī)律。
　　 本文主要

3、研究工作及結果如下:
　　 1.討論了掃描探針外形參數(shù)對納米尺度放電間隙內(nèi)電場分布的影響。研究發(fā)現(xiàn)掃描探針尖端面積大會顯著拓寬放電在樣品基板上的有效作用半徑。四面體錐形和雙曲面錐形掃描探針在樣品基板上的有效作用半徑基本相同，但雙曲面錐形探針在具有良好放電性能的同時還具有仿真計算效率高及準確度高的優(yōu)勢。當激勵電壓在50 V左右，其它參數(shù)保持不變時，改變掃描探針的高寬比對納米尺度放電間隙內(nèi)電場分布的影響不明顯，僅離掃描探針尖端15n

4、m以內(nèi)的區(qū)域電場變化比較顯著。
　　 2.研究了激勵電壓大小對掃描探針放電在樣品基板表面有效作用半徑的影響。隨著激勵電壓上升，掃描探針放電在樣品基板表面的有效作用半徑呈線性規(guī)律變化，但在激勵電壓相對較小時偏離線性變化趨勢。
　　 3.分析了放電間隙大小對納米尺度放電在樣品基板表面有效作用半徑的影響。隨著放電間隙的增大，掃描探針放電在樣品基板上的有效作用半徑呈非線性變化規(guī)律。
　　 4.研究還發(fā)現(xiàn)，當其它控制參數(shù)保

5、持不變時，在不同高寬比的掃描探針上施加相對較低、適中及相對較高的激勵電壓后，掃描探針放電在樣品基板上的有效作用半徑會呈現(xiàn)三種不同的變化規(guī)律:①當激勵電壓較低(＜50 V)時，掃描探針放電在樣品基板上的有效作用半徑隨著探針高寬比的增加而逐漸減小;②當激勵電壓適中(～50 V)時，掃描探針放電在樣品基板上的有效作用半徑基本不隨探針高寬比的變化而改變，保持在125 nm的水平;③當激勵電壓較高(＞50 V)時，掃描探針放電在樣品基板上的有效作

6、用半徑隨著探針高寬比的增加而逐漸增大。
　　 5.最后，本文將仿真計算結果與其它研究組進行掃描探針納米尺度放電實驗的結果進行對比，對仿真計算結果的可靠性進行驗證。例如，當放電間隙為5nm，激勵電壓約為20 V時，通過仿真計算得知掃描探針放電在樣品基板上有效作用半徑約為78 nm，與X.N.Xie研究組的實驗結果(～75 nm)相吻合。
　　 本文利用仿真計算方法，系統(tǒng)地研究了基于掃描探針的納米尺度放電模型的相關規(guī)律，為進