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纳米制造是21世纪制造技术竞争的制高点,是衡量国家高科技发展水平和综合实力的关键技术。随着纳米科技的发展,传统的表面加工技术已无法满足实际应用（包括电信、国防、航天、集成电路、光学制造等领域的高端装备）在高表面精度和无加工损伤两方面的要求,亟需纳米精度的超精密表面制造技术。单晶硅是目前运用最广泛、研发最成熟、产业最完整的半导体材料,其表面加工精度需求已达到亚纳米级的表面粗糙度和纳米级的面型精度,以及趋近于零的表面损伤层。单晶硅的超精密表面制造（如纳米切削、纳米抛光）中,表面材料以延性方式去除,虽然表面/亚表面没有微裂纹产生,但表面仍可能存在由表面水解层（软化层）、杂质嵌入（磨粒残留）和亚表层晶格畸变等组成的多损伤层结构。由于单晶硅表面超高精度加工过程中涉及到多磨粒的反复作用,并且接触面积小,材料去除迅速导致实际的反应过程无法被原位实时监测。此外,在加工过程中受到界面化学作用和外部机械作用的耦合影响,基底原子迁移过程及微区能量耗散行为的表征变得尤其困难,目前的研究尚未对单晶硅表面原子迁移机制以及表面/亚表面微观组织结构演化过程进行深入的理解。为揭示单晶硅材料超精密加工过程中的表面/亚表面损伤机理,进一步丰富机械化学去除理论。本文通过研究反应介质、摩擦副材料和机械-化学耦合作用对单晶硅表面微观材料去除的影响规律及机制,建立了表面原子尺度机械化学去除的量化模型及表面原子迁移过程中的能量耗散机制,提出了机械化学能量复合驱动的单晶硅表面原子级无损伤加工方法。本研究对进一步理解机械化学机理和优化单晶硅表面低损伤高效率超精密加工具有重要指导意义,且该理论将有望扩展到其他半导体、光学材料表面的超精密加工中,甚至能够间接推动国家电子通讯、生物医疗、能源储备、国防航天等高科技产业的发展。具体内容及创新点归纳如下:（1）研究了表面氧化层对单晶硅表面亲疏水性和水吸附行为的影响规律,提出了综合考虑表面吸附水膜厚度和结构的粘着力计算模型,揭示了吸附水膜结构对表面摩擦学行为（粘着和摩擦）的影响机制。吸附水膜结构不仅受表面亲疏水性的影响,还与表面物理结构有关,进而影响表面粘着和摩擦行为。在含氧气和水分子的环境下存放,疏水硅表面将发生氧化和水解反应,生成含氧层而导致表面亲水化。在疏水表面(Si/H和Sialcohol),固体表面吸附水膜中类固态结构可忽略不计,其表面的粘着行为主要受范德华力和毛细作用力的影响。而在亲水表面(Siair和Si Ox/OH),表面吸附水膜很容易形成类固态水结构,此时表面粘着行为还需考虑分离固态水结构所需的作用力。通过引入系数?用于描述其影响程度,建立了新的粘着力计算模型。（2）考察了晶体结构对单晶硅表面机械去除和机械化学去除的影响规律,阐明了单晶硅表面微观材料去除的各向异性效应及其影响机制。通过修正机械应力辅助的阿仑尼乌斯模型结合第一性原理计算建立了单晶硅表面机械化学反应量化模型,阐明了外部机械能对机械化学反应的影响规律,揭示了机械化学能量耦合机制。单晶硅表面机械化学去除速率和产生的沟槽形状都存在强烈的各向异性效应。Si/Si O2界面各向异性的机械化学去除差异更多地来源于不同原子面密度和层间距导致的不同机械化学反应。机械化学去除产生的沟槽形状由反应前后表面能决定,而材料去除速率则取决于化学反应活化能和外部机械能的共同作用。基于此,建立了单晶硅表面机械化学反应量化模型,将机械化学能量耦合过程简述为:外部机械能通过降低反应活化能和提供能量到达激活状态两个方面促进水分子辅助单晶硅表面Si-Si键的水解反应,实现基底硅原子的剥离。利用机械能辅助修正的阿仑尼乌斯公式对表面机械化学去除反应速率进行量化拟合,获得表面机械化学反应的活化体积,进而阐明外部机械能对表面机械化学反应的影响规律,揭示表面机械化学能量耦合机制。（3）研究了基底机械损伤层和对磨副材料化学活性对硅表面微观机械化学去除的影响,分别阐明了对界面机械化学反应的影响机制,丰富和扩展了硅表面微观机械化学去除模型。基底表面的机械作用损伤层将显著地影响界面机械化学反应。凸起结构将抑制界面机械化学反应,沟槽结构将促进界面机械化学反应。实验表明机械损伤层对界面机械化学去除的影响主要来源于损伤过程中导致的氧化层厚度变化。最表层的含氧层将抑制界面机械化学反应,降低去除效率。除此之外,实验结果表明低化学活性的对磨副材料将抑制界面机械化学反应,该抑制作用主要是通过提高生成界面键桥的活化能实现的,而在机械能削弱基底Si-Si键断裂所需能量的过程中并无明显区别。（4）分别测定了单晶硅表面产生机械化学去除和机械去除的临界接触压力和临界耗散能。阐明了微观去除界面的能量耗散途径及其占比,揭示了表面原子迁移的能量耗散机制,建立了表面原子迁移与能量耗散的映射关系。根据热激活理论和界面机械化学键合机制,提出了机械化学能量复合驱动的单晶硅表面原子级无损伤加工方法。环境水分的增加将增加界面Si-O-Si成键数量和降低Si-Si键断裂所需要的能量显著促进界面机械化学反应。循环次数对机械化学去除能量阈值的削弱作用可能归因于划痕区域中的残余能量对后续材料去除过程中机械化学反应能量势垒的降低。计算结果显示单晶硅表面产生机械化学去除的临界能量阈值为机械去除的0.4%,主要归因于机械化学去除中原子级的临界去除体积和大幅降低的反应活化能。机械化学材料去除单位体积所需能量（耗散能/体积）为机械去除的5.6%,其差异主要来源于材料去除与基底晶格损伤消耗的能量差异。结果显示机械化学去除过程基底次表层保持着完整的晶格结构,而机械去除过程基底次表层的非晶化和晶格畸变消耗了大量的摩擦耗散能（～31%）。分析结果表明利用机械化学复合能量在极大抑制晶格损伤耗散通道的同时,通过降低化学反应的能量势垒,提高材料去除的效率,共同实现了去除单位体积所需能量的显著降低。