基于斜面的摩擦力显微镜探针扭转系数标定改进方法

基于标准样品的已知斜面,对摩擦力显微镜探针扭转系数标定方法进行改进.根据探针在斜面上滑动时的受力特点,测试不同载荷下斜面上摩擦力环电压信号的半高量和偏移量,求解摩擦系数并最后得出探针扭转系数.结果表明:斜面摩擦力信号的半高量和偏移量随着载荷的增大而增加,且在较高载荷下呈线性增长;在此前提下黏着力不影响摩擦系数和扭转系数的求解;平面验证试验所得摩擦系数与上述求解值基本一致.相关结果有望简化纳米尺度摩擦力的标定和测试.     

原子力／摩擦力显微图象的分析与测量

用表面粗糙度评定方法和分形几何方法，结合原子力／摩擦力显微图象的特点，编制了包括Ｒａ，Ｒｑ，Ｓｍ，Ｓ，λａ，λｑ及高度分布、承载率曲线、相关函数、功率谱和分形维数等参数的图象分析与测量的ＦＯＲＴＲＡＮ程序；用ＳＴＲ－１８０和ＳＴＲ－１０００标样作了高度标定，对国产Ｎａｔｕｒｅ磁带和进口Ｓｏｎｙ磁带的原子力／摩擦力显微图象进行了分析测量．结果表明：Ｎａｔｕｒｅ磁带的粗糙度和粒度均比Ｓｏｎｙ磁带的大；微摩擦力与表面轮廓及表面轮廓斜率之间均有良好的对应关系．     

原子力显微镜在纳米摩擦学中应用的进展

近年来，原子力显微镜在纳米摩擦学研究中获得了越来越广泛的应用，已经成为进行纳米摩擦学研究的重要工具之一，有力地促进了纳米摩擦学的发展．因此，对应用原子力显微镜研究纳米摩擦、纳米磨损、纳米润滑、纳米摩擦化学反应和微型机电系统的纳米表面工程等方面所取得的主要进展作了系统的综合归纳与阐述，并且提出了原子力显微镜在纳米摩擦学应用中亟待解决的几个主要问题．     

探索微纳米世界的手——原子力显微镜1)

显微镜的发展让人类看到了真实的微纳米世界,原子力显微镜的出现则让我们进一步直接接触并感知其中的力学相互作用。借助这只微纳尺度的手,原子力显微镜技术越来越多地帮助我们探索和理解微纳米世界,甚至是生命世界。本文介绍了显微镜的发展,原子力显微镜的力学测量原理,以及在活细胞力学研究中的应用。     

原子力显微镜探针振动的简化模型分析

为对原子力显微镜（atomic force microscope,AFM）的微悬臂梁进行定性动力学特性分析,建立AFM微悬臂梁的简化模型,探讨AFM探针的受迫振动.通过理论计算得出AFM探针简化模型的运动方程,并得到振动波形,证明了AFM实际应用中的对称问题和"频漂"问题,并发现AFM简化模型的间歇式碰撞现象.用负弹簧模拟探针针尖与样品之间的长程引力,并通过理论计算探讨长程引力对AFM测量的影响.     

Nano-tribological study on a super-hydrophobic film formed on rough aluminium substrates

A novel super-hydrophobic stearic acid (STA) film with a water contact angle of 166^o was prepared by chemical adsorption on aluminum wafer coated with polyethyleneimine (PEI) film. The micro-tribological behavior of the super-hydrophobic STA monolayer was compared with that of the polished and PEI-coated Al surfaces. The effect of relative humidity on the adhesion and friction was investigated as well. It was found that the STA monolayer showed decreased friction, while the adhesive force was greatly decreased by increasing the surface roughness of the Al wafer to reduce the contact area between the atomic force microscope (AFM) tip and the sample surface to be tested. Thus the friction and adhesion of the Al wafer was effectively decreased by generating the STA monolayer, which indicated that it could be feasible and rational to prepare a surface with good adhesion resistance and lubricity by properly controlling the surface morphology and the chemical composition. Both the adhesion and friction decreased as the relative humidity was lowered from 65% to 10%, though the decrease extent became insignificant for the STA monolayer. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (50375151, 50323007, 10225209) and the Chinese Academy of Sciences (KJCX-SW-L2)     

关于轻敲式原子力显微镜动力学系统中能量耗散的研究

原子力显微镜是一种典型的微纳谐振器,其核心部件是一个对微弱力极敏感的微悬臂梁探针,当它在不同的环境工作时,存在着各种不同形式、不同性质的能量耗散,这些能量耗散与系统的相位图像有着密切的联系.在众多的耗散机制中,只有针尖与样品的黏附接触耗散才能真正反映样品的性质,其他耗散会降低黏附接触耗散在系统总耗散中的占比,使得图像中的有效信息被削弱.因而,明确其他耗散对系统品质因数的量级贡献是十分重要的,这有助于提高图像的品质.为了研究这些耗散,本文根据耗散机理产生的原因对不同的能量耗散进行了细致的分类,系统总结了各种能量耗散的类型.之后,通过理论、实验和仿真的方法探究了在不同环境下、不同位置处微悬臂梁探针的能量耗散,明确了不同耗散对系统品质因数的量级贡献.然后,对于不同流体环境下的能量耗散,对比了它们的作用机理及量级大小.最后,对于在大气环境下工作的原子力显微镜探针,研究了它在振动过程中从高于样品表面到下降并接触样品这一连续过程中不同阶段存在的能量耗散,分析表明,在这些能量耗散中对系统品质因数影响最大的是由空气引起的耗散,包括空气黏性阻尼,压膜阻尼及液桥耗散.     

原子力显微镜在二维材料力学性能测试中的应用综述

以石墨稀为代表,二维材料有着诸多优异的性质,在下一代电子器件等领域拥有广阔的应用前景.目前绝大多数关于二维材料的研究都集中在其电子学和光学的性质和应用,对于其力学性质的研究则相对欠缺,而力学性质在二维材料的研究和应用中都有着至关重要的意义.原子力显微镜是低维材料力学性质表征的主要手段,例如基于原子力显微镜的纳米压痕技术...     

原子力显微镜力谱技术及其在微观生物力学领域的应用

基于原子力显微镜技术的力谱技术是一种高灵敏度的力学检测方法.它能够以前所未有的精度, 在微观生物力学领域表征组织、细胞、生物膜、蛋白质、核酸、功能材料等目标对象, 探索其包括形貌、化学信息、导电性、静电力以及生物学特性在内的等信息, 并且能够对其进行分子级别精度的三维操纵. 从而对分子结构与构象变化, 分子间的相互作用以及反应历程实现单分子水平的实时--原位观测, 提供了其他测试方法不能完成的实验设计之可能性.本文首先介绍了原子力显微镜及其力谱技术的原理, 以及影响测量结果的各个参数的物理意义; 其次按照单个目标对象与配对目标对象的区分方式, 详细介绍了力谱技术在微观生物力学各个尺度上的研究进展; 之后介绍了力谱技术结合成像模式下的发展和应用; 最后对设备的改进和本研究领域发展方向进行了展望.      

AFM稳定性研究

“突跳”现象严重影响着原子力显微镜(AFM)的性能。根据W igner-Seitz模型微观连续介质理论,建立了AFM针尖同试样面接触力包含斥力的数学模型;由分析力学的稳定平衡条件,发现了引起AFM“突跳”的本质是不稳定平衡点的存在;通过增加AFM悬臂梁刚度,提出了一种避免AFM“突跳”现象发生的方法,并给出仿真结果。     

扫描探针声学显微技术研究进展

纳米科技的快速发展迫切需要对材料小尺度下的力学性能进行定量化测试与表征.将声学和原子力显微镜相结合的扫描探针声学显微技术(Atomic Force Acoustic Microscopy,AFAM)是近年来发展的一项定量化纳米力学测试方法,具有高分辨和无损的优势.论文围绕AFAM这一测试技术,首先详细论述了AFAM弹性力学性能和粘弹性力学性能定量化测试的基本原理以及两种成像模式;随后对AFAM方法研究相关的进展进行了分析和归纳;接着对AFAM在纤维增强复合材料、智能材料、生物材料、纳米材料和薄膜中的应用进展进行了综述;最后对AFAM进行了总结和展望.     

两种不同形状压头与单晶铜基体间接触力和摩擦力的纳观分析

在考虑单晶铜基体弹塑性形变和晶体各向异性情况下,基于原子尺度,采用混合势函数(EAM和Morse)和Verlet算法动态模拟了半球形和圆锥形两种不同形状压头与单晶铜基体的黏着接触和滑动摩擦过程,分析了接触力和摩擦力对单晶铜基体内失效原子变化情况.研究表明:当压头下压位移为0.9 nm时,由于半球形压头比圆锥形压头底部表面积大,导致半球形压头与基体之间的引力更大而更易产生黏着接触现象.在下压接触过程中,与半球形压头相接触的基体内出现位错原子长大成位错环,而与圆锥形压头相接触的基体未出现此位错环现象,但位错原子数均随压深的增加而增多;在滑动过程中,因半球形压头对基体的摩擦力和法向力比圆锥形压头对基体的摩擦力和法向力大,使得半球形压头比圆锥形压头正前方堆积的位错原子数多,但均随滑动距离的增加而增多.     

SI-Traceable Spring Constant Calibration of Microfabricated Cantilevers for Small Force Measurement

A variety of methods exist to measure the stiffness of microfabricated cantilever beams such as those used as mechanical sensors in atomic force microscopy (AFM). In order for AFM to be used as a quantitative small force measurement tool, these methods must be validated within the International System of Units (SI). To this end, two different contact techniques were used to calibrate the spring constant of a cantilever beam. First, a dynamic indentation-based method was used to measure the spring constant of a rectangular cantilever beam. These results were then compared against an SI-traceable spring constant measurement from an electrostatic force balance (EFB). The measurements agree within experimental uncertainty and within 2% for spring constants greater than 2 N/m. The use of this cantilever beam as a transfer artifact for in situ AFM cantilever calibration was then evaluated in comparison to the thermal calibration method. Excellent agreement is seen between these techniques, establishing the consistency of the thermal and dynamic indentation methods with SI-traceable contact cantilever calibration for the rectangular cantilever geometry tested. Disclaimer: This article is authored by employees of the U.S. federal government, and is not subject to copyright. Commercial equipment and materials are identified in order to adequately specify certain procedures. In no case does such identification imply recommendation or endorsement by the National Institute of Standards and Technology, nor does it imply that the materials or equipment identified are necessarily the best available for the purpose.     

Melnikov-Based Dynamical Analysis of Microcantilevers in Scanning Probe Microscopy

We study the dynamical behavior of a microcantilever-sample system that forms the basis for the operation of atomic force microscopes (AFM). We model the microcantilever by a single mode approximation. The interaction between the sample and the cantilever is modeled by a Lennard--Jones potential which consists of a short-range repulsive potential and a long-range van der Waals (vdW) attractive potential. We analyze the dynamics of the cantilever sample system when the cantilever is subjected to a sinusoidal forcing. Using the Melnikov method, the region in the space of physical parameters where chaotic motion is present is determined. In addition, using a proportional and derivative controller, we compute the Melnikov function in terms of the parameters of the controller. Using this relation, controllers can be designed to selectively change the regime of dynamical interaction.     

微观摩擦磨损研究的新进展

随着纳米科学与技术的发展，微观摩擦学越来越受到人们的广泛重视，并且已经成为当前摩擦学研究中的相当活跃的前沿领域之一。研究表明，在超精密机械或微型机械中，微观尺度上的摩擦磨损在很大程度上决定着各相对运动部件能否产生运动，以及整个运动系统的性能和寿命，因此，研究微观摩擦磨损至关重要，其最终目的是实现零磨损，为了推动和加速微观摩擦磨损研究的开展，对近几年国内外微观摩擦磨损研究的新进展作了综述与讨论，介绍     

细胞牵引力显微镜反演方法研究进展

细胞与胞外基质微环境的物理力学相互作用涉及许多复杂的生物信号转导通路,对于细胞的增殖、分化、收缩、迁移和凋亡等都起着重要的调控作用。在单细胞水平上,运用细胞牵引力显微镜方法定量研究细胞活动规律及特点具有重要的生理病理学意义。牵引力显微镜方法的核心在于如何通过基底变形信息反演得到细胞牵引力场。本文首先介绍细胞牵引力反演方法的基本原理,然后针对细胞牵引力求解过程中所涉及到的反问题的病态本性,重点介绍近十几年来细胞牵引力反演算法的研究进展(包括边界元反演算法、基于集中力假设的反演算法、基于积分Boussinesq解的反演算法、基于傅立叶变换的反演算法、基于最优滤波的反演算法等)。     

细胞牵引力显微镜反演方法研究进展

细胞与胞外基质微环境的物理力学相互作用涉及许多复杂的生物信号转导通路,对于细胞的增殖、分化、收缩、迁移和凋亡等都起着重要的调控作用.在单细胞水平上,运用细胞牵引力显微镜方法定量研究细胞活动规律及特点具有重要的生理病理学意义.牵引力显微镜方法的核心在于如何通过基底变形信息反演得到细胞牵引力场.本文首先介绍细胞牵引力反演方...     

沟槽型织构化表面摩擦噪声特性试验研究

用电火花加工方法在制动盘蠕墨铸铁材料表面加工出不同沟槽宽度和间距的沟槽型表面织构,在自行研制的新型摩擦噪声试验装置上,采用球-平面接触方式,选取直径10 mm的GCr15球为对摩副,对沟槽型织构表面和光滑表面进行摩擦噪声对比试验,研究沟槽型织构对摩擦噪声的影响.结果表明:本试验条件下沟槽型表面织构的尺寸及分布对摩擦噪声具有重要影响,一定尺寸及分布的织构表面可明显降低摩擦噪声.本试验条件下的摩擦噪声产生主要归因于接触表面的不平顺、磨屑层不均匀分布以及犁削作用等界面因素,这些因素导致了界面摩擦力高频成分的产生,当其与系统的自然频率耦合时,将引起摩擦系统强烈的自激振动并最终产生摩擦噪声.而摩擦界面存在尺寸分布合理的沟槽型表面织构,将能提高界面排屑能力并打断摩擦界面连续的接触,扰乱摩擦系统的自激振动,抑制摩擦噪声的产生.