基于AFM的微机械表面抗粘附薄膜性能

　　引言

　　在微/纳机电系统(MEMS/NEMS)中,构件相对运动界面间的粘附和磨损将影响系统的性能、可靠性和寿命[1～3]。为此,在构件表面自组装一层低摩擦系数的分子膜成为解决这类润滑问题的主要途径。

　　三氯十八硅烷(OTS)分子膜具有优良的摩擦学性能,且不受样品几何形状的限制,可在衬底表面快速成膜,与基体有良好的结合强度,制备方法简单,因此有望在微、纳米尺度润滑领域得到广泛应用。近年来,人们对OTS分子膜进行了大量的研究。原子力显微镜(AFM)已经成为研究微、纳米尺度下表面力的强有力工具,AFM针尖在样品表面的扫描,可以模拟在MEMS/NEMS中大量存在的点面接触情况,有效表征薄膜表面粘附及摩擦力[3～5]。本文在考虑外界空气相对湿度、扫描速度等因素的前提下,用AFM对比了施加OTS膜前后硅表面的粘附、摩擦性能,旨在为自组装OTS分子膜在微机械表面的应用提供理论依据。

　　1　实验材料和方法

　　1.1　OTS自组装膜制备

　　实验材料为Si(100)基片,单面抛光,成膜药品为纯度95%的三氯十八硅烷,溶剂为纯度98%的十六烷以及甲苯等。制备前,先利用乙醇和丙酮溶液将2片硅在超声波清洗槽中清洗10 min后取出,用去离子水反复清洗,然后吹干,再在90℃,V(H2SO4)∶V(H2O2)=7∶3,Piranha溶液中清洗10 min,取出后继续用去离子水反复清洗,直至水的pH值为中性,接着用高纯氮气吹干。将其中一硅片迅速浸入刚配置好的浓度为1 mmol/L的OTS/十六烷甲苯溶液中于室温进行组装15 min,取出用乙醇冲洗并吹干后,放在干燥器里备用。

　　1.2　粘附及摩擦力测试

　　粘附和摩擦实验在美国DI公司的MultimodeSPM(多功能扫描探针显微镜)上进行,选用NP-S型Si3N4探针(法向弹性系数为0.57 N/m)以contact模式扫描样品表面,探针针尖的曲率半径40 nm,扫描频率1 Hz。粘附力通过力曲线模式测定;以侧向力模式(LFM)获得代表摩擦力值的电压信号,以测定摩擦性能。扫描速度的改变通过改变探针的扫描频率实现。将AFM放置于密闭箱体中,并调节干燥、潮湿空气比来控制空气相对湿度。为了提高实验的可靠性,进行了多次不同范围的扫描,并得到基本一致的结论。

　　2　结果与讨论

　　图1为扫描速度v=2μm/s,温度25℃条件下,硅基构件的粘附力和摩擦系数随相对湿度变化的曲线图。从图中可以看出对Si表面来说,粘附力和摩擦系数随着相对湿度的升高而显著增加,即受相对湿度影响较大;而覆盖OTS膜后,相对湿度的变化对粘附力和摩擦系数的影响大为降低。在温度不变情况下,表面粘附力Fadh可以表示为[6]

　　式中　Fc——AFM针尖和材料表面间的毛细力Fvdw——固体表面之间的范德华力