金屬玻璃表面機械刻蝕納米加工的實驗方法

郭劍 鄭雪飛 袁鋒偉

【摘要】本文針對金屬玻璃，提出一種基于探針機械刻蝕作用的表面納米加工實驗方法，應用于金屬玻璃納米加工的探索性與延伸性實驗教學，使學生在實踐中把握金屬玻璃和微納制造學術前沿，培養創新思維。

【關鍵詞】納米制造 金屬玻璃 機械刻蝕

【基金項目】南華大學2015年度學位與研究生教育教研教改項目（2015JG021）。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）03-0241-02

金屬玻璃又稱非晶合金，是合金的熔融態在快速冷卻過程中未發生結晶而直接形成長程無序、短程有序的物質，它既兼具金屬和玻璃的優點，同時又克服了它們各自的弊病，因此被人們授予“玻璃之王”的美譽。金屬玻璃由于具有強度高、韌性強、耐腐蝕等特性，是微納器件優良的結構材料。微納制造是獲得微納器件的途徑，是支撐納米科技走向應用的基礎。為加快金屬玻璃微納器件的實用化進程，研究開發適合于金屬玻璃的納米加工方法勢在必行。基于掃描探針的機械刻蝕法是一種最直接的掃描探針納米加工方法，具有簡單、靈活、分辨率高等優勢。機械刻蝕的加工過程非常簡單，在原子力顯微鏡或納米劃痕儀上，利用探針對樣品表面進行刻劃產生劃痕，便可實現材料表面結構的“直寫”式加工，獲得諸如孔洞、溝槽、面坑等納米結構。然而由于金屬玻璃材料本身的難加工特性，目前針對金屬玻璃表面機械刻蝕納米加工方法的研究偏少，亟待開展相關的研究提出適宜于金屬玻璃這種特殊材料的機械刻蝕納米加工方法。

高校學生普遍對金屬玻璃材料與微納制造領域的了解較少，相關的基礎知識相對薄弱，尤其缺乏針對納米加工技術方向所開展的科學實驗類實踐活動。為加強學生對金屬玻璃的材料特性與金屬玻璃表面納米加工這一前沿學術熱點問題的認識，同時提高學生的創新思維和實踐能力，本文提出一種利用掃描探針的機械刻蝕作用在金屬玻璃表面進行納米加工的實驗方法，并應用于金屬玻璃、納米加工、微納制造前沿等相關課程內容的實驗教學。

1.實驗材料和實驗設備

（1）實驗材料：濺鍍在單晶硅基底上的Zr-Ti-Ni（鋯-鈦-鎳）三元金屬玻璃薄膜（其中Zr、Ti、Ni元素的百分比含量分別為40%、34%、26%；金屬玻璃薄膜的厚度約為2 μm）、用于納米加工的金剛石探針、用于實驗清洗的丙酮、乙醇、去離子水、燒杯、干凈氮氣等材料。（2）實驗設備：維氏硬度儀、納米劃痕儀、原子力顯微鏡、超聲清洗儀。

2.實驗方法和步驟

（1）清洗：將Zr-Ti-Ni金屬玻璃樣品依次置于丙酮、乙醇和去離子水中，利用超聲清洗儀反復清洗3-5次，每次時間為3-5分鐘，清洗完畢后在干凈氮氣下吹干，備用。

（2）標記：利用維氏硬度儀在樣品的實驗區域進行壓痕標記，便于加工后對所加工的納米溝槽結構進行原子力顯微鏡的形貌掃描；將樣品浸入乙醇、去離子水中，利用超聲清洗儀再次清洗樣品，以防在做壓痕標記的過程中對樣品可能造成的污染。

（3）納米加工：啟動納米劃痕儀，控制金剛石探針按照設定的法向載荷Fn、刻劃速度v、刻劃長度L、刻劃次數N等參數，在金屬玻璃表面的目標區域進行刻劃，即可獲得納米溝槽結構。圖1（a）示出了采用金剛石探針進行機械刻蝕納米加工的情形。

3.實驗案例與分析

根據上述實驗方法和步驟，在Zr-Ti-Ni金屬玻璃表面進行了一系列的機械刻蝕納米加工實驗。實驗結果表明采用本文提出的機械刻蝕法可以快速地在Zr-Ti-Ni金屬玻璃表面加工出納米溝槽結構。例如，圖1（b）示出了在Zr-Ti-Ni金屬玻璃樣品加工出的納米溝槽結構，納米加工的形貌系采用原子力顯微鏡對納米溝槽區域進行原位掃描獲得。其中加工該溝槽的實驗參數為：金剛石探針的曲率半徑R=5 μm、法向載荷Fn=8 mN、刻劃速度v=5 μm/s、刻劃長度L=10 μm、刻劃次數N=1。

與光刻、納米壓印、聚焦離子束刻蝕等納米加工方法相比，本文所提出的在金屬玻璃表面進行機械刻蝕納米加工的實驗方法更容易在實驗室開展，更方便進行實驗教學的推廣。該方法不僅可應用于本科生或研究生有關納米加工技術的探索性、延伸性實驗教學，使學生在實踐中加深對納米制造這一前沿科技的認識，還可以通過該實驗培養學生的科學意識和創新精神，提高分析和解決交叉學科中基礎科學問題的能力。

參考文獻：

[1]郭貽誠，王震西.非晶態物理學[M].北京：科學出版社， 1984.

[2]薛承輝.研究發展-材料科學新發現： 金屬玻璃之發展與應用[J].臺大校友雙月刊， 2015， 3.