基于AFM纳米机械刻蚀的分子动力学模拟研究

　　1　引言

　　基于微/纳米机电系统(micro electro mechanical sys-tems/nano electromechanical systems, MEMS/NEMS)、高密度信息存储技术、超精密加工等众多领域的发展要求及广阔的应用前景[1-2],利用扫描探针显微镜(scan-ning probe lithography, SPM)进行纳米刻蚀加工技术(scanning probe lithography, SPL)已引起科学家们的极大关注,并在近年得到很大发展[3]。原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)1986年由G.宾尼希等人发明,由于其具有实用、便捷等特点,成为扫描探针刻蚀加工研究中最为常用的工具,到目前为止,已形成机械式刻蚀 [4]、场致氧化加工[5]、局域氧化加工[6]、原子搬迁、蘸水笔刻蚀(dip-pen nanolithography, DPN)加工[7-8]等多种不同机理的纳米结构加工方法。

　　机械式刻蚀加工是目前研究较多的一种刻蚀技术,主要方法是AFM针尖与样品在接触模式下,通过控制针尖施加微牛量级的作用力,直接在样品表面刻 蚀出纳米级图形的方法。该方法即可实现对金属、半导体材料、合金等的加工,又可对有机抗蚀剂PMMA(polymethyl methacrylate)、LB(langmuir-blodgett)膜、自组装膜(thiol self-assembled monolayers,SAM)等活性层进行刻蚀加工[9]。目前利用该加工方法不仅可以获得纳米级的结构、图案,还可以加工介观尺度功能器件及实现纳米 级高密度存储。如Bouchiat等人利用AFM针尖在硅片上的高分子膜上机械刻蚀制造出的单电子晶体管[10],美国Wayne州立大学 S.Cruchon-Dupeyrat等人利用AFM在硫醇自组装单分子膜(SAM)上加工了纳米课文[11]。

　　尽管如此,基于AFM机械刻蚀的加工机理尚有待进一步研究。区别于传统意义的机械加工,纳米级别的机械刻蚀加工中,原子的结构和运动变得非常重 要,同时在原子尺度,材料也不能被看成连续体,传统的连续介质力学已不再适用。通过实验研究无疑是最重要的方法,但是由于在实际加工过程受样品、刀具及加 工工艺等多种因素影响,可控性很差,并且对环境的要求很高。近年来,人们利用分子动力学对基于AFM的机械刻蚀加工的机理进行研究,取得了很好的效果。

　　2　分子动力学模拟理论

　　分子动力学是从统计物理中衍生出来的一种计算机模拟技术,基本思路为通过建立粒子系统来模拟所研究的微观现象。系统中粒子间的作用力Fa由原子 间作用势确定。根据量子力学理论,考虑原子及周围电子的综合作用,原子间作用势可以通过多体(multi-body)薛定谔(Schrodinger)方 程确定,但由于目前尚不能求解多体薛定谔方程,经常采用经验和半经验势函数,如morse势、Tersoff势,修正嵌入原子法(modified embedded atommethod, MEAM)等[12]。

　　原子的运动由经典牛顿运动方程描述,由牛顿第二运动定律求出原子加速度