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轻敲式原子力显微镜空气阻尼耗散研究

刘晶  
【摘要】:轻敲模式原子力显微镜(TM-AFM)的相位像相比其形貌像可以更加准确地反应出样品表面物理化学性质的变化,但影响相位或相位对比度的原因很复杂,当前对相位像的解释仍然是理论上和实验上的热点问题,存在着巨大的挑战。即使对于十分熟练的操作者,在实验中如何选取扫描探针、确定扫描参数、控制实验环境、识别赝像、剔除赝像和提升图像品质仍处于感性认识和非系统的理性认识阶段。研究表明,相位像与TM-AFM系统的能量耗散有关。在实验室大气环境中扫描时,存在着各种不同形式、不同性质的能量耗散,TM-AFM的相位像是整个系统能量耗散的体现。而空气阻尼是TM-AFM最主要的能量耗散之一,微悬臂梁的品质因数在真空中能达到上万,然而在空气中却只有几百,在液体环境下甚至能降到个位数。基于此,本文主要通过理论、仿真、实验三种手段研究TM-AFM的空气阻尼效应。首先建立了基于位移激励的微悬臂梁动力学模型,给出了连续体梁模型的品质因数表达式。在此基础上,给出了等效质量、等效刚度、等效阻尼表达式,建立了单自由度谐振子模型。讨论了集总质量和弹簧项在运动微分方程和在边界条件中的异同。其次讨论了微流动中空气稀薄效应、小雷诺数效应,基于连续性流体假设给出了微悬臂梁在空气中自由振动时流体阻尼表达式,得到相应的品质因数,ANSYS-FLUENT进行双向流固耦合计算,得到压强等分布。当探针距离样品较近时,空气压膜阻尼耗散需要考虑。本文基于雷诺方程,建立了微悬臂梁压膜阻尼一维、二维模型,并改变相关参数如针尖-样品距离、长宽比等比较品质因数变化;使用MATLAB有限单元法对非线性雷诺方程求解,得到压强分布等,并使用ANSYS-FLUENT进行双向流固耦合计算进行验证。建立了倾斜光梁、微球探针、普通探针的空气压膜阻尼模型,定量或定性给出了 TM-AFM中压膜阻尼作用,并使用扫频实验方法进行验证,结果表明,倾斜光梁、微球探针理论模型与实验结果符合较好,对于普通探针,由于细长针尖的复杂性,定性地解释了品质因数随针-样距离变化的趋势,当针尖-样品距离较远时,细长针尖可以忽略,当针尖-样品距离较近时则不能忽略。该研究对微纳尺度的能量耗散理论发展和原子力显微镜成像技术进步都有重要意义。


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