宋孝宗，高　貴，周有欣，王宏剛，龔　俊

(1. 蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.中國(guó)科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

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TiO2納米顆粒在單晶硅表面的吸附

宋孝宗1*，高貴2，周有欣1，王宏剛2，龔俊1

(1. 蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.中國(guó)科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

為了實(shí)現(xiàn)亞納米級(jí)超光滑表面的加工，建立了紫外光誘導(dǎo)納米顆粒膠體射流加工系統(tǒng)，同時(shí)研究了加工過(guò)程中納米顆粒與工件表面間的相互作用機(jī)理。首先，對(duì)實(shí)驗(yàn)所用銳鈦礦TiO2納米顆粒及單晶硅工件表面進(jìn)行表征測(cè)量。然后，用第一性原理的平面波贗勢(shì)計(jì)算方法研究了納米顆粒膠體射流加工中TiO2分子團(tuán)簇在單晶硅表面化學(xué)吸附的表面構(gòu)型結(jié)構(gòu)及其體系能量。最后，開(kāi)展了TiO2納米顆粒及單晶硅工件表面間的吸附實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：膠體中的OH基團(tuán)在TiO2團(tuán)簇表面及單晶硅表面分別發(fā)生化學(xué)吸附，在TiO2納米顆粒及單晶硅表面吸附過(guò)程中形成了新的Ti-O-Si鍵及化學(xué)吸附的H2O分子。紅外光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:TiO2納米顆粒與單晶硅界面間存在新生成的Ti-O-Si鍵。這種界面間的相互作用證實(shí)了紫外光誘導(dǎo)納米顆粒膠體射流拋光過(guò)程可實(shí)現(xiàn)材料去除的化學(xué)作用機(jī)理。

TiO2納米顆粒；超光滑表面；單晶硅表面；化學(xué)吸附；紫外光誘導(dǎo)納米顆粒膠體射流加工

1　引　言

目前，超光滑無(wú)損傷表面在光學(xué)、電子科學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用及迫切需要[1]。為滿足超光滑無(wú)損傷表面制造的需求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出多種超光滑表面加工工藝及方法[2-4]。目前的研究主要集中于拋光方法及拋光工藝參數(shù)等方面，部分學(xué)者研究了超光滑表面制造過(guò)程中磨料與工件表面間的物理、化學(xué)及機(jī)械等作用機(jī)理[5-7]，但關(guān)于超光滑無(wú)損傷表面制造過(guò)程中納米顆粒的行為及其與被加工表面原子、分子間作用規(guī)律尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。為了實(shí)現(xiàn)超光滑無(wú)損傷表面的高效制造，提出了一種新的紫外光誘導(dǎo)納米顆粒膠體射流加工技術(shù)，利用在紫外光場(chǎng)與膠體射流動(dòng)壓場(chǎng)耦合作用下納米顆粒(10～40nm)與被加工工件表面間的光化學(xué)反應(yīng)、界面化學(xué)反應(yīng)以及膠體射流產(chǎn)生的剪切黏滯作用實(shí)現(xiàn)工件表面材料的亞納米級(jí)去除。在紫外光誘導(dǎo)納米顆粒膠體射流進(jìn)行超光滑表面加工的過(guò)程中，紫外光的光化學(xué)作用對(duì)膠體射流中納米顆粒與工件表面間的界面反應(yīng)進(jìn)行充分的激勵(lì)和強(qiáng)化，從而提高材料表面原子的去除率，進(jìn)而提高超光滑表面制造的效率。

紫外光場(chǎng)作用下膠體中會(huì)產(chǎn)生大量OH基團(tuán)[8]，OH基團(tuán)具有較高的化學(xué)活性，易與工件表面的活性位點(diǎn)產(chǎn)生吸附。對(duì)膠體中納米顆粒與工件表面間的行為及相互作用進(jìn)行研究和認(rèn)識(shí)，有助于正確理解紫外光誘導(dǎo)納米顆粒膠體射流加工過(guò)程中的材料去除機(jī)理。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)仿真模擬被廣泛應(yīng)用于理論分析及研究微觀化學(xué)吸附過(guò)程[9-11]。關(guān)于紫外光誘導(dǎo)納米顆粒膠體射流加工過(guò)程的材料去除機(jī)理，本文認(rèn)為具有高表面能和化學(xué)活性的納米顆粒將與工件表面間產(chǎn)生化學(xué)吸附，并與工件表面原子形成新的化學(xué)鍵合。吸附在工件表面的納米顆粒在流動(dòng)膠體的黏滯作用下，將與工件表面原子一起被帶離工件表面。在上述相互作用過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)工件表面材料原子尺度的去除，從而獲得亞納米級(jí)的超光滑無(wú)損傷表面[12-13]。因此有必要對(duì)膠體環(huán)境中納米顆粒與工件表面間的各種吸附狀態(tài)、具體反應(yīng)路徑、相關(guān)能量關(guān)系以及界面間的成鍵情況進(jìn)行深入研究，從而有助于在紫外光誘導(dǎo)納米顆粒膠體射流加工過(guò)程中選擇合理的工藝參數(shù)、實(shí)現(xiàn)高效可控的材料去除。

2　紫外光誘導(dǎo)納米顆粒膠體射流加工系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作原理

圖1所示為紫外光誘導(dǎo)納米顆粒膠體射流加工系統(tǒng)示意圖。

圖1紫外光誘導(dǎo)納米顆粒膠體射流加工系統(tǒng)示意圖

Fig.1Diagramofultravioletinducednanoparticlecolloidjetmachiningsystem

系統(tǒng)主要由機(jī)床本體子系統(tǒng)、液壓子系統(tǒng)、紫外光源子系統(tǒng)及控制計(jì)算機(jī)等組成。機(jī)床本體子系統(tǒng)具有數(shù)控多軸聯(lián)動(dòng)功能。根據(jù)具體加工要求調(diào)整噴嘴與工件之間的相對(duì)位置及速度從而滿足復(fù)雜自由曲面元件的超光滑表面加工要求。液壓子系統(tǒng)由隔膜泵產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)高壓，通過(guò)光-液耦合噴嘴形成納米顆粒膠體射流束，實(shí)現(xiàn)工件表面的拋光加工。加工結(jié)束后，拋光液經(jīng)納米顆粒膠體循環(huán)設(shè)備回收、冷卻及過(guò)濾后，輸送回封閉的納米顆粒膠體容器中進(jìn)行循環(huán)利用。此封閉循環(huán)過(guò)程，可保證納米顆粒膠體不被其他外界雜質(zhì)接觸污染，具有穩(wěn)定的組成成分及物理化學(xué)特性。紫外光源子系統(tǒng)由紫外光源、光傳輸元件及光-液耦合噴嘴組成首先將被加工元件固定在反應(yīng)室中的多自由度工作臺(tái)上，啟動(dòng)可調(diào)紫外光源使紫外光經(jīng)過(guò)光傳輸元件后進(jìn)入光-液耦合噴嘴；然后啟動(dòng)隔膜泵，使納米顆粒膠體進(jìn)入光-液耦合噴嘴內(nèi)，與通過(guò)光-液耦合噴嘴的紫外光束發(fā)生耦合，形成紫外光耦合納米顆粒膠體射流束，與工件表面間發(fā)生光催化界面反應(yīng)；實(shí)現(xiàn)工件表面材料的可控去除。圖2所示為紫外光誘導(dǎo)納米顆粒膠體射流加工過(guò)程示意圖。

圖2紫外光誘導(dǎo)納米顆粒膠體射流加工過(guò)程示意圖

Fig.2Diagramofultravioletinducednanoparticlecolloidjetmachiningprocess

3　　TiO2團(tuán)簇在單晶硅表面吸附的第一性原理研究

3.1計(jì)算方法及模型

在紫外光誘導(dǎo)納米顆粒膠體射流加工中，需選擇具有光催化性能的納米顆粒作為拋光顆粒。由于二氧化鈦納米顆粒具有良好的光催化性能，因此適宜在紫外光誘導(dǎo)納米顆粒膠體射流加工中作為拋光顆粒實(shí)現(xiàn)超光滑表面加工。

基于密度泛函理論的第一性原理方法，具體計(jì)算時(shí)交換相關(guān)勢(shì)選取廣義梯度近似(GeneralizedGradientApproximation，GGA)中的(PerdewBurkeErnzerhof，PBE)梯度關(guān)聯(lián)校正函數(shù)形式，采用模守恒贗勢(shì)表示體系中原子核與內(nèi)層電子對(duì)外層電子的庫(kù)侖吸引勢(shì)。能量截?cái)喟霃酱_定為600eV，總能量/原子收斂容差是2.0e～06eV。構(gòu)建了如圖3所示的銳鈦礦型二氧化鈦模型，其晶格參數(shù)為a=b=c=5.442 898，α=β=139.407 527°，γ= 58.753 999 °。對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的Ti-O鍵長(zhǎng)為1.930 ?、1.973 ?，計(jì)算獲得的銳鈦礦型二氧化鈦其能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、光吸收特性和聲子態(tài)密度分別如圖4中的(a)、(b)、(c)、(d)所示。

圖3　銳鈦礦型TiO2晶體結(jié)構(gòu)

(a)能帶結(jié)構(gòu)

(b)態(tài)密度

(c)光吸收特性

(d)聲子態(tài)密度

3.2吸附過(guò)程研究

為了分析二氧化鈦納米顆粒在紫外光誘導(dǎo)納米顆粒膠體射流加工中的吸附機(jī)理，利用優(yōu)化后的銳鈦礦二氧化鈦模型，建立了TiO2團(tuán)簇。膠體環(huán)境中，存在大量的OH基團(tuán)，TiO2團(tuán)簇表面與OH基團(tuán)間的吸附初始態(tài)如圖5(a)所示。

(a)初始態(tài)(a) Initial state

(b)過(guò)渡態(tài)(b) Transition state

(c)終態(tài)(c) Final state

(a)體系總能量與吸附距離關(guān)系曲線

(b)吸附終態(tài)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)初始態(tài)的吸附結(jié)構(gòu)計(jì)算了在不同吸附距離(OH基團(tuán)中O原子到TiO2團(tuán)簇目標(biāo)Ti原子間的垂直距離)時(shí)該體系的總能量。在吸附過(guò)程中體系總能量與吸附距離間的關(guān)系如圖6(a)所示，TiO2團(tuán)簇與OH基團(tuán)間存在強(qiáng)吸引作用使體系能量隨著目標(biāo)Ti原子與OH基團(tuán)間距離的減小而減小。當(dāng)吸附的距離約為1.83 ?，體系能量的曲線變化平緩。吸附距離小于1.83 ?時(shí)，隨著吸附距離減小體系能量開(kāi)始增大，OH基團(tuán)與TiO2團(tuán)簇間的相互作用變?yōu)榕懦庾饔?。可以認(rèn)為當(dāng)OH基團(tuán)與TiO2團(tuán)簇目標(biāo)Ti原子間距離為1.83?時(shí)成鍵，如圖5(b)所示即為OH基團(tuán)與TiO2團(tuán)簇吸附的過(guò)渡態(tài)。對(duì)成鍵后的體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到吸附體系的終態(tài)結(jié)構(gòu)如圖5(c)所示。圖6(b)所示為該吸附體系由過(guò)渡態(tài)結(jié)構(gòu)到終態(tài)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過(guò)程中體系總能量的變化。

954 Progress in imaging evaluation of ischemic penumbra in acute ischemic stroke

建立如圖7(a)所示的單晶硅100表面模型，晶格參數(shù)如下：A=B=23.54 ?，C=34.16 ?，α=β=γ=90°，真空層的厚度30 ?。對(duì)該單晶硅表面模型進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到圖7(b)所示的構(gòu)型。以單晶硅100面中心位置的硅原子作為目標(biāo)原子，圖7(c)所示為OH基團(tuán)在單晶硅表面化學(xué)吸附初始態(tài)。

(a)理想硅表面(a) Ideal Si surface

(b)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后硅表面(b) Geometry optimization Si surface

(c)吸附初始態(tài)(c) Initial adsorption state

(d)吸附終態(tài)(d) Final adsorption state

在吸附過(guò)程中，OH基團(tuán)以氧原子端朝下吸附于目標(biāo)硅原子。圖8(a)所示為該吸附體系的總能量隨著OH基團(tuán)與單晶硅表面間的距離變化關(guān)系曲線。在吸附距離為1.66 ?時(shí)，體系能量最低。當(dāng)吸附距離小于1.66 ?，體系能量開(kāi)始增大?？烧J(rèn)為OH基團(tuán)化學(xué)吸附在單晶硅表面的吸附的距離約為1.66 ?。圖7(d)所示為OH基團(tuán)在單晶硅表面化學(xué)吸附的終態(tài)結(jié)構(gòu)。圖8(b)為OH基團(tuán)在單晶硅表面吸附終態(tài)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過(guò)程及其能量的變化。

(a)體系總能量與吸附距離關(guān)系曲線

(b)吸附終態(tài)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在紫外光誘導(dǎo)納米顆粒膠體射流加工中，納米顆粒與工件表面之間相互作用是實(shí)現(xiàn)工件材料去除基礎(chǔ)。利用上述計(jì)算和模擬結(jié)果，進(jìn)行TiO2團(tuán)簇與羥基化單晶硅表面相互作用的研究，如圖9所示。其中圖9(a)所示為該過(guò)程的初始態(tài)結(jié)構(gòu)，圖9(b)所示為該過(guò)程的過(guò)渡態(tài)結(jié)構(gòu)，圖9(c)所示為該過(guò)程的終態(tài)結(jié)構(gòu)。

(a)初始態(tài)(a) Initial state

(b)過(guò)渡態(tài)(b) Transition state

(c)終態(tài)(c) Final state

(a)體系總能量與吸附距離關(guān)系曲線

(b)吸附終態(tài)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

Fig.10EnergyrelationshipofTiO2clusteradsorbingonhydroxylsiliconsurface

圖10所示為T(mén)iO2團(tuán)簇與羥基化單晶硅表面吸附過(guò)程中體系總能量和吸附距離之間的關(guān)系曲線。如圖10(a)所示，當(dāng)TiO2團(tuán)簇接近硅表面，與單晶硅表面間的相互作用表現(xiàn)為排斥作用，體系能量顯著增加，TiO2團(tuán)簇與單晶硅表面距離約為3.1 ?時(shí)，TiO2團(tuán)簇表面OH基團(tuán)的O原子與單晶硅表面OH基團(tuán)的O原子軌道開(kāi)始重疊，隨著兩個(gè)O原子的逐漸逼近，原子核的核斥力使得系統(tǒng)能顯著增加。價(jià)鍵理論認(rèn)為兩原子間原子軌道重疊是形成共價(jià)鍵的原因，相疊加部分越多，共價(jià)鍵越穩(wěn)定。在TiO2團(tuán)簇和單晶硅表面間距離進(jìn)入O原子軌道疊加區(qū)域時(shí)，會(huì)形成新的共價(jià)鍵Ti-O-Si鍵和化學(xué)吸附的H2O，使該體系的能量顯著降低，如圖9(b)所示。當(dāng)TiO2團(tuán)簇吸附在單晶硅表面生成新的Ti-O-Si鍵后，對(duì)其吸附結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何優(yōu)化，得到其終態(tài)結(jié)構(gòu)如圖9(c)所示，圖10(b)所示為該吸附終態(tài)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過(guò)程及其體系能量的變化。

表1　仿真體系及其終態(tài)體系總能量

表1所示為上述仿真體系及其相應(yīng)的總能量。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在TiO2團(tuán)簇與單晶硅表面吸附過(guò)程中，約有17.9eV的能量被釋放以形成穩(wěn)定的吸附終態(tài)結(jié)構(gòu)。

4　TiO2納米顆粒在單晶硅表面吸附實(shí)驗(yàn)研究

4.1TiO2納米顆粒的表征測(cè)量

(a)透射電子顯微鏡照片

(b)掃描電子顯微鏡照片

用去離子水超聲分散制備TiO2納米顆粒膠體，用鹽酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)膠體的pH值，用ZetasizerNanoZS納米粒度儀進(jìn)行粒度分析。分散后膠體中TiO2納米顆粒粒徑分布如圖12所示，主要粒徑分布在20nm左右，粒徑在10～30nm內(nèi)的納米顆粒約占總數(shù)的80%。

圖12　膠體中TiO2納米顆粒的粒徑分布

4.2TiO2納米顆粒在單晶硅表面吸附的紅外光譜研究

根據(jù)紫外光誘導(dǎo)納米顆粒膠體射流加工機(jī)理的分析，納米顆粒在工件表面的吸附是其實(shí)現(xiàn)材料去除的關(guān)鍵，文獻(xiàn)[14]中觀測(cè)到入射液體中納米顆粒在工件表面的瞬時(shí)吸附過(guò)程，但由于加工過(guò)程中瞬時(shí)吸附在工件表面的納米顆粒數(shù)目較少，無(wú)法達(dá)到化學(xué)檢測(cè)所需的量。為檢測(cè)TiO2納米顆粒與單晶硅表面吸附成鍵情況，將無(wú)摻雜單晶硅浸泡在配制好的TiO2納米顆粒膠體拋光液中。拋光液中TiO2納米顆粒的濃度為10%，粒徑約為20～30nm，pH值為7，浸泡時(shí)間約為24h，取出后在室溫下進(jìn)行自然干燥。用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察單晶硅表面，如圖13所示。在單晶硅表面觀測(cè)到了吸附的TiO2納米顆粒，且部分TiO2納米顆粒在單晶硅表面發(fā)生了團(tuán)聚吸附現(xiàn)象，導(dǎo)致吸附在單晶硅表面的TiO2納米顆粒粒徑增大。

圖13　TiO2納米顆粒在單晶硅表面吸附的SEM圖像

用Nexus670FT-IR傅里葉紅外光譜儀對(duì)單晶硅表面以及和TiO2納米顆粒發(fā)生吸附后的單晶硅表面進(jìn)行了衰減全反射紅外光譜(ATR-FTIR)檢測(cè)。

圖14所示為單晶硅表面吸附TiO2納米顆粒前后的紅外反射光譜圖。其中a為用ATR附件采集的純單晶硅表面反射譜圖，b為化學(xué)吸附TiO2納米顆粒后的單晶硅表面反射譜圖。由于a、b譜圖的基線傾斜，需要對(duì)其進(jìn)行基線校正。c、d譜圖分別為a、b譜圖進(jìn)行基線校正后相對(duì)應(yīng)的譜圖。

圖14單晶硅表面吸附TiO2納米顆粒前、后紅外反射譜

Fig.14InfraredspectrogramofSisurfacebeforeandafteradsorbingTiO2nanoparticles

為精確檢測(cè)吸附TiO2納米顆粒前后單晶硅表面的紅外譜圖的差異，對(duì)圖14中的d、c譜圖進(jìn)行差示處理，以便扣除單晶硅表面原有的譜帶，從而顯示吸附TiO2納米顆粒后新產(chǎn)生的譜帶。差示光譜如如圖15所示。差示結(jié)果顯示，710cm-1峰歸屬于Ti-O鍵，表明在單晶硅表面有吸附的TiO2納米顆粒。870cm-1、1 030cm-1及1 050cm-1峰歸屬于Si-O鍵的伸展振動(dòng)；3 620cm-1、3 310cm-1及3 080cm-1處的峰為與O-H鍵伸展振動(dòng)有關(guān)的吸收峰，其中3 620cm-1歸屬于游離的O-H鍵伸展振動(dòng)的IR峰，位于3 310cm-1～3 080cm-1的寬峰歸屬于締合的O-H伸展振動(dòng)IR峰，且其締合較強(qiáng)；這些IR峰的存在，表明在納米TiO2膠體中單晶硅表面與OH基團(tuán)發(fā)生了化學(xué)及物理吸附，形成Si-OH鍵。2 320cm-1峰對(duì)應(yīng)于Si-H伸展振動(dòng)的峰值，表明單晶硅在膠體環(huán)境中跟OH基團(tuán)的吸附的同時(shí)發(fā)生對(duì)H的吸附。圖中在M-O-M基團(tuán)的頻率區(qū)域內(nèi)(900cm-1～1 500cm-1)出現(xiàn)了950cm-1及1 490cm-1兩條新的特征譜帶，分別歸屬于Ti-O-Si基團(tuán)的伸縮振動(dòng)及變形振動(dòng)，表明單晶硅表面與TiO2納米顆粒發(fā)生化學(xué)吸附后，界面確有新的Ti-O-Si化學(xué)鍵生成。

圖15　TiO2吸附前后紅外反射譜差示圖

5　結(jié)　論

本文根據(jù)超光滑無(wú)損傷表面制造的需求，建立了紫外光誘導(dǎo)納米顆粒膠體射流加工系統(tǒng)，介紹了該加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)超光滑無(wú)損傷表面加工的原理。用第一性原理方法，研究了紫外光誘導(dǎo)納米顆粒膠體射流加工中TiO2納米顆粒與單晶硅工件表面間的相互作用機(jī)理。最后，通過(guò)掃描電子顯微鏡及衰減全反射紅外光譜實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了膠體環(huán)境中TiO2納米顆粒與單晶硅表面間的吸附機(jī)理及其成鍵情況。第一性原理計(jì)算及化學(xué)吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明：在膠體環(huán)境中，OH基團(tuán)將首先在單晶硅及TiO2納米顆粒表面發(fā)生化學(xué)吸附。然后，TiO2納米顆粒將在羥基化單晶硅表面產(chǎn)生化學(xué)吸附，該吸附體系界面間會(huì)產(chǎn)生新的Ti-O-Si鍵，并最終形成穩(wěn)定的吸附態(tài)結(jié)構(gòu)。

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宋孝宗(1981-)，男，甘肅白銀人，博士，副教授，2003年、2005年、2010年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士、博士學(xué)位，主要從事超精密加工、超光滑表面拋光方面的研究。E-mail：songxiaozong@126.com

高貴(1985-)，男，甘肅蘭州人，碩士，助理研究員，2009年、2012年于蘭州理工大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位，主要從事聚合物改性及其摩擦磨損性能研究。E-mail：gaogui@licp.cas.cn

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Adsorption of TiO2nanoparticles on monocrystalline silicon surface

SONG Xiao-zong1*， GAO Gui2， ZHOU You-xin1， WANG Hong-gang2， GONG Jun1

(1. School of Mechanical and Electronical Engineering，Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， China;2. State Key Laboratory of Solid Lubrication， Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences， Lanzhou 730000， China)

*Corresponding author， E-mail：songxiaozong@126.com

Toefficientlycreatetheultra-smoothsurfaceofbrittlecrystals,anultravioletinducednanoparticlecolloidjetmachiningsystemwasestablishedandtheinteractionmechanismbetweenthenanoparticlesandthesurfaceofaworkpieceintheprocesswasinvestigated.Firstly,thecharacteristicsofTiO2nanoparticlesandmonocrystallinesiliconsurfaceusedintheexperimentweremeasuredandinvestigated.Then,theplane-wavepseudopotentialcalculationmethodbasedonfirst-principleswasusedtostudythegeometricalstructuresandformationenergiesofTiO2molecularclusterinchemicallyadsorbingonhydroxylmonocrystallinesiliconsurface.Finally,adsorptionexperimentsofTiO2nanoparticlesandmonocrystallinesiliconsurfacewerecarriedout.CalculationresultsshowthattheOHischemicallyadsorbedonTiO2clusterandsiliconsurface,respectively.IntheadsorptionprocessbetweenTiO2nanoparticlesandsiliconsurface,newTi-O-SibondsandH2Omoleculeareformedtoreducethesystemenergy.InfraredspectralexperimentresultsalsoshowthatthereexitsanewgenerationofTi-O-SibondbetweentheinterfacesofTiO2nanoparticlesandsiliconsurface.Thenewchemicalbondbetweentheinterfacessatisfiesthechemicalreactionmechanismintheprocessofultravioletinducednanoparticlecolloidjetmachining.

TiO2nanoparticle;ultrasmoothsurface;monocrystallinesiliconsurface;chemicaladsorption;ultravioletinducednanoparticlecolloidjetmachining

2016-03-10；

2016-04-11.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51205180，No.51565031)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(No.20126201120001)

1004-924X(2016)07-1694-09

TB302；TB383

Adoi:10.3788/OPE.20162407.1694