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基于接触共振原子力显微术的纳米力学表征方法研究

马成福  
【摘要】:随着纳米科学技术的快速发展,各类器件系统的日益小型化以及新型纳米材料的设计制备,均对相应器件材料各类物理特性快速、准确、无损且高分辨的测量提出迫切需求。而其中,尤为重要的需求之一即是对各类力学特性相关参量的表征评价,这既包括对于材料强度、弹性、粘弹及摩擦等特性参量的定量测量,也包括对于器件材料内部缺陷、杂质等的无损检测。针对这一需求,基于原子力显微镜的相关技术因其纳米尺度空间分辨力、极高的力测量灵敏度而表现出巨大潜力,而其中尤以基于超声调制的接触共振原子力显微术最具希望。通过结合对于针尖、样品间接触作用的高频超声调制,超声原子力显微术相关技术方法被广泛应用于对材料表面力学特性分布的表征成像以及对次表面结构的无损检测中。而其中工作于接触共振状态的接触共振原子力显微术,更是因其能够实现定量化力学特性表征而得到广泛关注。本论文针对接触共振原子力显微术在纳米力学表征及次表面结构成像中存在的相关问题,以接触力学及探针振动力学为基础,主要开展了微悬臂梁相关动力学问题分析、纳米力学表征中的应用拓展及次表面结构成像能力定量评价等三个方面的研究工作,同时亦探讨了接触共振原子力显微术在纳米摩擦相关问题研究中的运用。首先,本文通过基于连续梁的微悬臂梁接触共振理论模型及有限元计算模型,分析了微悬臂梁特殊几何结构、探针倾角、针尖位置、针尖高度及横向接触刚度等因素对于接触共振原子力显微术定量纳米力学表征的影响。同时,我们对接触共振原子力显微术定性成像中的图像衬度进行了探讨,并对小振幅超声调制下,针尖、样品间力曲线特性进行了实验及理论研究。其次,本文提出了一种基于接触共振原子力显微术的薄膜刚度及残余应力的测量方法,探索拓展了接触共振原子力显微术在纳米力学表征方面的应用。经对比验证,该方法测试结果与传统曲率法测试结果符合较好,且具有较小的测量不确定度。另外,本文提出了针对接触共振原子力显微术对于次表面空穴结构检测能力的理论分析模型,针对不同深度、不同尺寸次表面结构,对检测深度等检测能力评价指标进行了系统研究,并分析了悬臂梁振动模态、作用载荷等对于检测能力的影响。相关验证实验较好地证明了此分析方法的有效性。同时,对于内嵌异质结构样品,针对其接触力学模型建立困难的问题,我们提出了基于有限元分析的等效压入模量计算模型,并分析了接触共振原子力显微术对于此类样品的检测能力。最后,为研究接触共振原子力显微术中实验设置对于材料耗散角正切等粘弹特性测量的影响,本文从接触共振频谱的实验研究出发,对接触共振原子力显微术中针尖、样品间局域微滑动行为进行了研究。同时,我们亦将接触共振原子力显微术成功应用于对超声润滑效应机理的解释研究之中。


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