金属玻璃表面机械刻蚀纳米加工的实验方法

郭剑 郑雪飞 袁锋伟

【摘要】本文针对金属玻璃，提出一种基于探针机械刻蚀作用的表面纳米加工实验方法，应用于金属玻璃纳米加工的探索性与延伸性实验教学，使学生在实践中把握金属玻璃和微纳制造学术前沿，培养创新思维。

【关键词】纳米制造 金属玻璃 机械刻蚀

【基金项目】南华大学2015年度学位与研究生教育教研教改项目（2015JG021）。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2019）03-0241-02

金属玻璃又称非晶合金，是合金的熔融态在快速冷却过程中未发生结晶而直接形成长程无序、短程有序的物质，它既兼具金属和玻璃的优点，同时又克服了它们各自的弊病，因此被人们授予“玻璃之王”的美誉。金属玻璃由于具有强度高、韧性强、耐腐蚀等特性，是微纳器件优良的结构材料。微纳制造是获得微纳器件的途径，是支撑纳米科技走向应用的基础。为加快金属玻璃微纳器件的实用化进程，研究开发适合于金属玻璃的纳米加工方法势在必行。基于扫描探针的机械刻蚀法是一种最直接的扫描探针纳米加工方法，具有简单、灵活、分辨率高等优势。机械刻蚀的加工过程非常简单，在原子力显微镜或纳米划痕仪上，利用探针对样品表面进行刻划产生划痕，便可实现材料表面结构的“直写”式加工，获得诸如孔洞、沟槽、面坑等纳米结构。然而由于金属玻璃材料本身的难加工特性，目前针对金属玻璃表面机械刻蚀纳米加工方法的研究偏少，亟待開展相关的研究提出适宜于金属玻璃这种特殊材料的机械刻蚀纳米加工方法。

高校学生普遍对金属玻璃材料与微纳制造领域的了解较少，相关的基础知识相对薄弱，尤其缺乏针对纳米加工技术方向所开展的科学实验类实践活动。为加强学生对金属玻璃的材料特性与金属玻璃表面纳米加工这一前沿学术热点问题的认识，同时提高学生的创新思维和实践能力，本文提出一种利用扫描探针的机械刻蚀作用在金属玻璃表面进行纳米加工的实验方法，并应用于金属玻璃、纳米加工、微纳制造前沿等相关课程内容的实验教学。

1.实验材料和实验设备

（1）实验材料：溅镀在单晶硅基底上的Zr-Ti-Ni（锆-钛-镍）三元金属玻璃薄膜（其中Zr、Ti、Ni元素的百分比含量分别为40%、34%、26%；金属玻璃薄膜的厚度约为2 μm）、用于纳米加工的金刚石探针、用于实验清洗的丙酮、乙醇、去离子水、烧杯、干净氮气等材料。（2）实验设备：维氏硬度仪、纳米划痕仪、原子力显微镜、超声清洗仪。

2.实验方法和步骤

（1）清洗：将Zr-Ti-Ni金属玻璃样品依次置于丙酮、乙醇和去离子水中，利用超声清洗仪反复清洗3-5次，每次时间为3-5分钟，清洗完毕后在干净氮气下吹干，备用。

（2）标记：利用维氏硬度仪在样品的实验区域进行压痕标记，便于加工后对所加工的纳米沟槽结构进行原子力显微镜的形貌扫描；将样品浸入乙醇、去离子水中，利用超声清洗仪再次清洗样品，以防在做压痕标记的过程中对样品可能造成的污染。

（3）纳米加工：启动纳米划痕仪，控制金刚石探针按照设定的法向载荷Fn、刻划速度v、刻划长度L、刻划次数N等参数，在金属玻璃表面的目标区域进行刻划，即可获得纳米沟槽结构。图1（a）示出了采用金刚石探针进行机械刻蚀纳米加工的情形。

3.实验案例与分析

根据上述实验方法和步骤，在Zr-Ti-Ni金属玻璃表面进行了一系列的机械刻蚀纳米加工实验。实验结果表明采用本文提出的机械刻蚀法可以快速地在Zr-Ti-Ni金属玻璃表面加工出纳米沟槽结构。例如，图1（b）示出了在Zr-Ti-Ni金属玻璃样品加工出的纳米沟槽结构，纳米加工的形貌系采用原子力显微镜对纳米沟槽区域进行原位扫描获得。其中加工该沟槽的实验参数为：金刚石探针的曲率半径R=5 μm、法向载荷Fn=8 mN、刻划速度v=5 μm/s、刻划长度L=10 μm、刻划次数N=1。

与光刻、纳米压印、聚焦离子束刻蚀等纳米加工方法相比，本文所提出的在金属玻璃表面进行机械刻蚀纳米加工的实验方法更容易在实验室开展，更方便进行实验教学的推广。该方法不仅可应用于本科生或研究生有关纳米加工技术的探索性、延伸性实验教学，使学生在实践中加深对纳米制造这一前沿科技的认识，还可以通过该实验培养学生的科学意识和创新精神，提高分析和解决交叉学科中基础科学问题的能力。

参考文献：

[1]郭贻诚，王震西.非晶态物理学[M].北京：科学出版社， 1984.

[2]薛承辉.研究发展-材料科学新发现： 金属玻璃之发展与应用[J].台大校友双月刊， 2015， 3.