一种基于摩擦诱导选择性蚀刻的新型纳米制备方法

在本研究中，通过对目标区域的低破坏性扫描和在KOH溶液中的后蚀刻，发展了一种在石英表面产生三维纳米结构的新型纳米加工方法。这种纳米制造方法的能力通过各种纳米结构来展示，包括斜坡、分级阶段和棋盘状图案。在不同温度下测试扫描区域的蚀刻速率。为了制造更深层次的结构，人们尝试在现有的纳米结构上重新制作。

通过AFM在2×2μm2的面积上测量了石英晶片的均方根(RMS)粗糙度为0.15nm，整个制作过程包括两个步骤：对目标区域的低破坏率扫描和在氢氧化钾溶液中的选择性蚀刻，如图1所示。为避免表面磨损，相应的最大赫兹接触压力低于5.1GPa，扫描后在石英表面的扫描区域，在20重量中蚀刻%氢氧化钾溶液，在293K的适当时间产生所需的纳米结构，通过控制扫描负载和尖端痕迹，可以制造出多种纳米结构。

与传统光刻中的连续蚀刻不同，扫描区域的选择性蚀刻主要发生在转折点之前，在每条曲线的转折点之后，蚀刻速率非常低，蚀刻深度非常接近最终制造深度，结果表明，单次低损扫描和后蚀刻后存在一个临界的制造深度，为了以低破坏性的方式产生更深层次的结构，尝试在现有纳米结构的目标区域进行重新制造。

为了进一步了解该方法的制备机理，对划伤的石英样品进行了XTEM观察，以检测扫描区域的微观结构，在氢氧化钾蚀刻前，TEM观察显示，在无磨损扫描区域下没有明显的变形，而在凹槽下观察到严重的晶格变形，在293K下蚀刻3h后，在无磨损的扫描区域仍然没有可见的损伤，这进一步证实了该方法为石英上的纳米制造提供了一种低破坏率的方法。同时，凹槽下的变形区不能被氢氧化钾溶液蚀刻，由于凹槽下晶格畸变的形成并没有帮助增加蚀刻厚度，石英的选择性蚀刻可能与扫描区域的其他结构变化有关。

由于在划痕过程中石英表面通常发生非晶化，因此可以推测扫描/划痕过程中的非晶化可能是导致石英表面的选择性蚀刻的原因，为了验证这一点，在293k下测试了大块非晶态二氧化硅和晶体石英的蚀刻速率，在测试前，在每个样品表面的一半上沉积了一层厚度约为300nm的金膜作为掩模层，在氢氧化钾溶液中蚀刻4h并去除金层后，晶体石英表面的覆盖表面和暴露表面之间没有蚀刻差异，相比之下在非晶二氧化硅表面形成了24nm的高度，这清楚地表明，非晶化可以提高氢氧化钾中二氧化硅的蚀刻速率。

基于上述讨论，可以提出可能的制造机制如下:在氢氧化钾溶液中，摩擦诱导非晶二氧化硅的缺陷硅网可以帮助氢氧化钾溶质优先扩散到扫描区域，并诱导更高浓度的反应物c和大量反应物a在扫描区域之间的碰撞。根据碰撞理论，扫描区域的氢氧化钾蚀刻取决于氢氧化钾溶质与硅氧微观结构之间的总碰撞数,与原始表面相比，扫描区域具有更快的蚀刻速率，并将被选择性地蚀刻,蚀刻的深度可以由非晶化层的厚度来决定，而蚀刻的速率可以由非晶化的程度来决定。

综上所述，提出了一种基于摩擦诱导选择性蚀刻的新型纳米制备方法，即可以在目标石英表面上按需创建三维纳米结构,这种方法使纳米制造比具有蚀刻掩模的光刻更容易,为了克服单一制造工艺流程中的临界蚀刻厚度，可以在现有结构上进行再加工,在低接触压力下的摩擦诱导过程有助于以低破坏性的方式去除纳米级材料,考虑到这些优点和潜在的应用前景，该方法可以为未来的纳米制造开辟新的机会。

总之，提出了一种基于原子力显微镜的无掩模、低损的石英纳米制备方法,通过改变加载模式和编程扫描轨迹，可以制作出各种纳米结构，包括斜坡、分级阶段和棋盘状图案。在给定的实验条件下，扫描区域的表面在临界接触压力5.1GPa以下无磨损，随着接触压力的增加，扫描区域的蚀刻厚度从0上升到2.9nm,虽然蚀刻温度的提高可以提高制造效率，但制造深度受到接触压力和扫描周期的控制,再制造可以实现克服临界蚀刻厚度,透射电镜观察表明，畸变的形成对蚀刻厚度没有影响。分析表明，该制备机理可能是由于石英表面摩擦诱导非晶层的选择性蚀刻,该基于摩擦诱导选择性蚀刻的方法将为石英纳米制造提供新的机会。