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原子力显微镜轻敲模式下能量耗散的机理研究

孙岩  
【摘要】:显微术由十六世纪的光学显微镜开始,逐步发展到二十世纪的电镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜(AFM)等,帮助人们不断深入探索微观世界。AFM使用悬臂梁探针来探索微观世界,在轻敲模式下,探针的能量耗散影响相位图和质量因子。探针和试样在接触过程产生的能量耗散反映了试样的表面特性,表现为对相位图的影响;此外,减小系统能量耗散可以增大系统的品质因子,进而提升AFM系统的成像精度和准确性。探针的振动过程以及与试样的接触过程中均有多种因素会引起能量耗散,研究其能量耗散机理是一个“去伪存真”的过程。本文在微尺度接触模型以及探针动力学模型的基础上,对探针与试样间黏附、塑性变形、液桥和空气阻尼等因素引起的能量耗散进行了研究。论文主要内容和成果如下:(1)应用振动理论和有限元仿真方法研究了探针的动力学特性。使用点质量模型和欧拉-伯努利梁模型对探针的振动特性进行描述,并证明了上述两种模型在反映探针动力学特性方面具有等价性。阐明了轻敲模式下能量耗散对相位像和品质因子的影响。通过改进AFM系统进行示波器监测和ANSYS软件模拟悬臂梁单侧受限时受迫振动响应,由此首次提出:当探针轻微接触试样表面后,探针的稳态振动响应仍然可以保持近似于正弦曲线的状态,并解释了扫频实验中出现的“截断”现象。(2)定量研究了探针与试样间黏附力对能量耗散的影响。分析了几类经典接触模型的特点,考虑AFM测试的实际工况,选择了适用的接触模型。在不考虑毛细力的情况下,采用JKR接触模型描述了探针与试样在外力作用下的加载-卸载曲线,给出了AFM力曲线中失稳点对应在JKR加卸载曲线的位置。分析了悬臂梁刚度、试样弹性模量对分离力变化的影响规律;通过力曲线实验证明了上述对分离失稳位置判定方法是合理的,计算出在接触-分离过程中由黏附引起的能量耗散;建立了考虑试样粗糙度的接触模型,分析了接触分离过程中由试样粗糙度引起的能量耗散变化。(3)采用塑性接触理论和数值仿真方法研究了试样发生塑性变形引起的能量耗散。提出在探针与试样接触时,仅在表面力的作用下试样表面就会发生塑性变形。在接触分离过程中,加载阶段可以用M-P接触模型中的全塑性接触状态描述,卸载阶段可用JKR模型描述。根据轻敲模式和接触模式下探针-试样的接触特点,给出了塑性变形的影响。讨论了针尖尺寸和试样屈服极限等因素对AFM测量结果的影响,指出在选择探针时应协调测量精度和对试样保护的关系。(4)总结了液桥生成的三种模型,包括液膜挤出模型、液膜流动模型和毛细凝结模型,并计算出在不同湿度下各模型生成液桥的体积。详细讨论了每个模型生成液桥体积达到平衡状态时与所需的时间尺度,结合AFM接触模式、力曲线模式、轻敲模式下探针与试样接触的特征时间,给出了不同操作模式下生成液桥的主要机理并给出液桥对接触模式和力曲线模式测量的影响。建立了液桥体积与能量耗散的关系,计算出AFM轻敲模式在不同环境湿度下由液桥引起能量耗散值的范围。(5)研究了空气黏性阻尼对AFM系统的影响,提出了一种计算黏性阻尼引起能量耗散的方法。通过实验证明了压膜阻尼效应对探针的振动有明显影响,采用自制微米小球探针、常规探针、光梁探针进行扫频实验,讨论了不同类型探针下压膜阻尼的作用机制;讨论了探针倾斜角、针尖高度、微米小球等因素对研究压膜阻尼的影响;建立了不同类型探针下压膜阻尼模型,其计算值与实验结果非常吻合。给出了探针结构设计的合理化建议。本文的创新之处在于充分考虑AFM的实际工况,基于理论计算和实验观察,给出了各类耗散机理及其能量耗散值。这为进一步校核测试系统来提高测试准确性提供了依据;为操作者在使用AFM时对各类操作参数和设定的选取提供理论支持。


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