纳米科技与生物科技及信息科技并列为21世纪最具影响的三大领域,深刻地改变着人类社会进程。而纳米制造技术是实现纳米产品生产的先决条件,是纳米科技走向应用的关键和基础。随着器件微型化发展至纳米尺度,传统的纳米加工技术遇到了前所未有的挑战,比如分辨率难以提升、工艺复杂、加工损伤高等。因此,开发新的纳米加工技术不仅能满足纳米科技发展的需求,而且有望为我国在纳米时代的国际竞争中实现跨越式发展提供支撑。本论文主要研究石英表面低损伤的摩擦诱导纳米加工方法。首先,石英屈服前摩擦表面可直接形成纳米凸起结构,据此提出石英表面摩擦诱导直接加工方法。凸结构机械性能与基体接近,但化学稳定性降低。为进一步减少加工损伤,根据摩擦区域石英材料可被KOH溶液选择性去除的现象,提出了石英表面摩擦诱导选择性刻蚀加工方法。研究表明摩擦化学作用可显著降低摩擦诱导加工损伤,改善所加工结构的性能。文中阐明了扫描参数(载荷、扫描次数、扫描速度)和刻蚀温度对所提摩擦诱导纳米加工的影响规律。通过透射电镜观测、X射线光电子能谱分析等手段,揭示了摩擦诱导纳米加工机理。为验证所提出的摩擦诱导选择性刻蚀机理和化学作用对加工损伤的影响,分别在玻璃表面和砷化镓表面进行了摩擦诱导纳米加工研究。主要研究内容和创新点如下：(1)揭示出石英表面摩擦诱导纳米凸结构的形成机理,提出了摩擦诱导直接加工方法。利用金刚石探针在单晶石英表面摩擦可直接加工纳米凸结构,凸结构形成的有效赫兹接触压力范围为0.4Py到Py(Py是石英屈服时对应的赫兹接触压力)。所加工纳米结构高度随扫描次数和扫描载荷的增加而增加并逐步平稳。X射线光电子能谱和透射电镜观测结果表明摩擦导致的晶格变形主导了凸起结构的形成。通过控制探针扫描轨迹,实现了纳米点、线、面等各种纳米结构的可控加工。尽管加工区域弹性模量比单晶基体下降了1.1-11.6%,但仍能承受微机电系统典型的接触压力。由于加工区域含有晶格缺陷,凸结构可被KOH溶液选择性去除。(2)阐明了石英摩擦诱导区域材料刻蚀去除的规律和机理,建立了摩擦诱导选择性刻蚀加工方法。结合无磨损扫描和KOH溶液刻蚀,提出摩擦诱导选择性刻蚀加工。详细研究了其加工规律,发现刻蚀厚度随扫描载荷和扫描次数的增加而增加,随扫描速度的增加而减小。提高刻蚀温度有利于提高加工效率,但不影响最终加工深度。透射电镜观测表明晶格畸变层不能够被KOH溶液刻蚀,结合非晶石英的对比刻蚀结果,选择性刻蚀加工机理可归因于摩擦诱导非晶层在KOH溶液中的快速化学反应。刻蚀动力学分析发现载荷不改变刻蚀反应活化能,其反应机制和刻蚀剂在扫描区域的优先扩散有关。通过优化扫描参数和刻蚀温度,实现了线阵列、斜面、多级台阶等图案的低损伤、高效率可控加工。所加工结构具有高度的化学稳定性,刻蚀后弹性模量比单晶石英基体下降了仅0.2-2.6%,该方法更适合于石英表面低损伤纳米加工。(3)验证了摩擦诱导选择性刻蚀机理和摩擦化学作用对低损伤加工的意义,分别提出了玻璃和砷化镓表面摩擦诱导纳米加工方法。X射线光电子能谱分析表明玻璃扫描区域被HF溶液刻蚀后形成难溶物AlF3,该结果不仅验证了摩擦诱导选择性刻蚀加工机理和反应机制,而且为玻璃表面摩擦诱导纳米加工方法提供理论依据。基于化学作用对低损伤加工的影响,利用摩擦化学在砷化镓表面实现了低损伤摩擦诱导纳米加工,加工所需接触压力仅为砷化镓屈服时接触压力的11%。高分辨透射电镜观测显示砷化镓加工区域下方无位错存在。综上所述,本文基于摩擦引起的石英表面结构变化及化学性质变化,提出了摩擦诱导直接加工和摩擦诱导选择性刻蚀加工方法。探索了玻璃、砷化镓表面摩擦诱导纳米加工,加深了对摩擦化学作用降低加工损伤的认识。本论文的研究结果不仅有助于丰富纳米摩擦学的基础理论,而且有望推动低损伤摩擦诱导加工在石英等材料纳米加工领域的应用。