目前,随着纳米科技的快速发展,纳米结构越来越多的应用于纳米光学、纳米流控以及纳米电子学等领域。然而,由于常用的纳米加工技术过于复杂或者过于昂贵,如聚焦离子束刻蚀、激光加工以及纳米压印等,严重制约了纳米结构的加工。因此,如何加工高精度纳米结构是目前面临的一个挑战。
　　1986年发明的原子力显微镜(AFM)最初被设计为一种精密检测设备,通过探针与样品表面之间纳牛级的接触作用力检测样品表面形貌而不损坏被检测样品表面。当探针施加在样品表面的垂直载荷达到一定值时,使样品表面产生塑性变形从而实现纳米级材料的去除。由于具有低成本、操作简单、高精度以及较低环境要求等优势,这种基于AFM纳米机械加工的方法目前被认为是一种简单、可行的纳米级加工技术。
但是这种方法还处于初步研究阶段,基于AFM探针刻划的材料去除机理及加工跨尺度纳米结构的工艺方法还有待深入研究,导致目前很难加工出深度可控、大范围的纳米结构。因此针对上述存在的问题,本文从机理、理论以及工艺等方　　面研究基于AFM纳米机械加工技术,具体研究内容包括如下几个方面:
　　建立了恒力模式下AFM纳米机械加工的分子动力学模型,研究了多次刻划时单晶金属材料去除过程,同时分析了单晶金属材料不同晶向对加工沟槽深度以及形貌的影响规律。采用实验研究的手段,提出了在一维沟槽加工中不同刻划方向施加在样品表面上实际垂直载荷的检测方法,分析了探针刻划方向对材料去除的影响规律。
　　同时,分析了在二维/三维结构加工中,探针进给方向对切屑产生、加工沟槽质量以及加工深度等方面的影响规律,并得到了不同进给方向下探针刻划过程中的切削角度,分析了不同切削角度对材料去除状态的影响规律。建立了适用于金属材料的AFM纳米机械加工单线多次刻划以及二维/三维纳米结构的载荷与加工深度关系的理论模型,在理论模型中将AFM探针简化成带有球形尖端的圆锥形状,并通过实验验证该简化的可行性。
　　同时,建立了适用于聚合物材料单线刻划的载荷与加工深度的理论模型,在模型中考虑了探针形状、刻划时材料堆积高度以及聚合物材料弹性回复等影响因素。通过实验对比了在单线多次刻划中为得到预期加工深度时实验垂直载荷与理论垂直载荷的差异,根据其差异的大小对所建立的单线多次刻划中载荷与深度关系理论模型的进行修正,实现了多次不同垂直载荷下加工深度的预测。分析了二维/三维结构加工中所建立的载荷与加工深度理论模型的适用范围,实现了预期深度三维结构的加工。对于聚合物材料,得到了垂直载荷与刻划速度对弹性回复率和刻划过程中材料堆积高度的影响规律,将其带入到所建立的载荷与加工深度的理论模型中,得到了探针施加在聚合物材料表面的垂直载荷对应的预测加工深度,并与实验加工深度进行对比,验证了所建立的理论模型的可行性。提出了结合探针轨迹运动与工作台移动相结合加工跨尺度微纳结构的新工艺方法。分析了加工工艺参数对所加工沟槽的影响规律并对其进行优选,得到质量良好的毫米尺度沟槽阵列。分析并得到了加工底部带有阶梯结构时探针进给运动与工作台运动速度的匹配关系对加工结构的影响规律,加工了质量良好的底部带有阶梯结构的毫米长度、微米宽度纳米深度的沟槽阵列。提出了基于AFM探针轨迹运动进给量变化的三维纳米结构加工方法,分析得到了该加工工艺中金刚石探针加工结构的极限加工倾斜角度,加工了底部带有典型三维结构的纳米沟槽。建立了将AFM纳米机械加工技术应用在微球表面纳米结构加工中的五轴纳米机械加工装置。提出了针对加工过程中关键问题如微球的调心方法和球心与AFM头回转中心距离检测等问题的解决方案,并在微球不同的三个环带处加工了质量良好的纳米结构。提出了气浮轴系回转精度的检测方法,并分析得到了由于气浮轴系回转精度以及微球偏心所引起的加工位置误差。