ENERGY DISSIPATION IN TAPPING MODE ATOMIC FORCE MICROSCOPY

原子力显微镜有多种成像模式,其中轻敲模式是最为常用的扫描方式.轻敲模式能获取样品表面形貌的高度信息和相位信息,其中相位信息具有更多的价值,如能反映样品的表面能、弹性、亲疏水性等.依据振动力学理论,相位与振动系统的能量耗散有关.探针样品间的能量耗散对于理解轻敲模式下原子力显微镜的成像机理至关重要,样品特性和测量环境会影响能量耗散.本文在不考虑毛细力影响下,基于JKR接触模型,给出了探针样品相互作用下的加卸载曲线,结合原子力显微镜力曲线实验,给出了探针-样品分离失稳点的位置,从而计算一个完整接触分离过程的能量耗散,进而讨论考虑表面粗糙度对能量耗散的影响.在轻敲模式下考虑毛细力影响,通过特征时间对比,证明挤出效应是液桥生成的主导因素,在等容条件下,用数值方法计算了不同相对湿度对能量耗散的影响.通过一维振子模型,简要说明原子力显微镜相位像与样品表面能、杨氏模量、表面粗糙度、相对湿度之间的关系.分析表明,表面粗糙度和环境湿度均会引起相位的变化,进而认为它们是引起赝像的因素.     

轻敲模式下 AFM 动力学模型及能量耗散机理研究

轻敲模式下探针从远离到间歇性接触样品表面,是一个连续的能量耗散过程.针对该连续过程的能量耗散机理研究仅零星存在于各个文献之中,对于连续过程中各个阶段的能量耗散机理也没有一个系统的解释和实验验证.本文提出了新的位移激励下原子力显微镜探针-样品系统简化模型并得到了一维振子系统等效阻尼的计算方法,并通过该方法计算了探针在远离样品表面时的空气黏性阻尼和靠近样品时的空气压膜阻尼,分析了探针从远离样品到间歇性接触样品表面这一过程中的环境耗散机理变化,得到了原子力显微镜系统理论品质因数与探针工作位置的关系曲线;在此基础上设计了轻敲模式下的微悬臂梁扫频实验,得到了系统实验品质因数与探针工作位置的关系曲线,进而验证了理论模型的准确性. 本文通过对轻敲模式下AFM环境耗散机理进行理论分析和实验验证,希望可以对轻敲模式下AFM动力学特性及其阻尼作用机理有更近一步的认识,同时对微纳米机电系统 (MEMS/NEMS) 能量耗散机理的研究提供理论参考和实验方法.      

STUDY ON A DYNAMICS MODEL OF TAPPING MODE AFM AND ENERGY DISSIPATION MECHANISM$^{\bf 1)}$

轻敲模式下探针从远离到间歇性接触样品表面,是一个连续的能量耗散过程.针对该连续过程的能量耗散机理研究仅零星存在于各个文献之中,对于连续过程中各个阶段的能量耗散机理也没有一个系统的解释和实验验证.本文提出了新的位移激励下原子力显微镜探针-样品系统简化模型并得到了一维振子系统等效阻尼的计算方法,并通过该方法计算了探针在远离样品表面时的空气黏性阻尼和靠近样品时的空气压膜阻尼,分析了探针从远离样品到间歇性接触样品表面这一过程中的环境耗散机理变化,得到了原子力显微镜系统理论品质因数与探针工作位置的关系曲线;在此基础上设计了轻敲模式下的微悬臂梁扫频实验,得到了系统实验品质因数与探针工作位置的关系曲线,进而验证了理论模型的准确性. 本文通过对轻敲模式下AFM环境耗散机理进行理论分析和实验验证,希望可以对轻敲模式下AFM动力学特性及其阻尼作用机理有更近一步的认识,同时对微纳米机电系统 (MEMS/NEMS) 能量耗散机理的研究提供理论参考和实验方法.     

THE DISSIPATION ENERGY IN TAPPING MODE OF ATOMIC FORCE MICROSCOPE DUE TO LIQUID BRIDGE

轻敲模式下的相位像反映的是探针样品间接触分离过程的能量耗散, 大气环境下的能量耗散主要由液桥引起. 因此为理解成像机理, 本文分析轻敲模式下液桥的形成和破碎的动力学过程, 得到此种模式下的耗散能.     

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.     

热处理对GeSb2Te4薄膜微观结构及其摩擦性能的影响

利用射频溅射法制备了GeSb2Te4薄膜并对其进行热处理,分析热处理前后样品的结晶情况,用纳米硬度计测定硬度,利用静电力显微镜表征样品的表面电势,采用原子力显微镜观察薄膜表面形貌,利用侧向力显微镜对比考察了在考虑相对湿度的情况下,热处理前后GeSb2Te4薄膜的粘附力和摩擦性能.结果表明:经过退火的沉积态GeSb2Te4薄膜发生从非晶相到fcc亚稳相再到hex稳定相转变;粘附力与表面粗糙度之间没有明显的对应关系,但与样品表面自由能和表面电势有一定关系;在低载荷下GeSb2Te4薄膜的摩擦力很大程度上受粘附力支配,而在高载荷下的摩擦力受犁沟影响显著;经过340 ℃退火GeSb2Te4薄膜由于具有层状结构,呈现出一定的润滑作用.     

粗糙表面的黏着试验研究

在微机械电子系统中,表面粗糙峰的几何特征、尺寸以及形状等对表面黏着以及摩擦特性有重要作用.为了研究粗糙度对黏着力的影响,首先用KOH溶液腐蚀硅片,得到8个粗糙度不同的样品.使用原子力显微镜(AFM)来测量样品的黏着力.分别使用两种探针来模拟不同的接触几何,第一种探针针尖为一个2μm左右的平台,另一种探针为尖探针.试验分别在干燥的手套箱内以及在空气中进行.在样品表面随机选取15个测量点,每个点测量50次,然后根据计算值,确定平面的平均黏着力以及标准差.并与Robinovich模型的计算结果作比较.结果显示:当粗糙度较小的时候,随着粗糙度增大,黏着力下降很快,这与Robinovich模型变化趋势较吻合;当粗糙度较大时,随着粗糙度增大黏着力略有增加,但不是很明显,与Robinovich模型相差较大.     

相对湿度对材料表面粘附力影响的研究

利用自制微摩擦及粘附力测试装置考察了在微载荷条件下,相对湿度对Si(100)材料表面粘附力的影响,分析了在大气环境中水分子的毛细作用力和范德华力对粘附力的贡献,并以BET吸附模型为基础推导出考虑湿度影响的粘附力计算公式.结果表明:在微载荷条件下,相对湿度对材料表面的粘附力影响十分显著,随着相对湿度升高粘附力增加,特别是相对湿度RH在40%～80%之间时,粘附力变化最为显著;当相对湿度RH小于20%时,范德华力大于水的毛细作用力且占主导地位;当相对湿度RH大于20%后,水分子的毛细作用力不断增加,同时范德华力因水膜的存在而降低,水的毛细作用力占主导地位.     

用侧向力显微镜对不同非晶态GeSbTe薄膜的摩擦性能研究

采用侧向力显微镜研究了磁控溅射方法制备的GeSbTe薄膜在大气环境中的纳米级摩擦性能,考虑了相对湿度、扫描速度及表面粗糙度对其摩擦性能的影响,对比不同成分的GeSbTe薄膜的摩擦特性.结果表明:在相对湿度较大时,扫描速度对针尖和GeSbTe薄膜之间的摩擦力影响很大;在其它条件相同、外加载荷较大时,同一载荷下的摩擦力与表面粗糙度呈线性关系,但在外加载荷较小的情况下,二者呈现非线性变化规律;相对湿度对Ge2Sb2Te5薄膜和针尖的粘附力影响较GeSb2Te4薄膜弱,且粘附力使得摩擦系数减小;在同一相对湿度下,由于薄膜成分的变化导致硬度不同,其对薄膜的摩擦性能也有一定影响.     

DNA分子链的初始高度及其压弹性的原子力显微镜研究

用接触和轻敲两种模式下的原子力显微术研究了空气中的DNA分子,探讨了成像模式对高度测量的影响,考证了DNA的初始高度.结果表明:文中所得DNA初始高度与理论值较接近.在参照DNA初始高度的基础上,通过检测DNA双链的弹性形变量,研究了DNA分子在直径方向的压缩性质.结果表明:空气中固定在云母表面的DNA分子具有很好的压弹性,在外力作用下DNA的径向形变可达到60%以上;当外力撤销后,其形变可以不同程度地恢复.分析了25段DNA分子上125个点的高度与成像力的关系,并由此初步估算了DNA分子的弹性常数.     

考虑接触界面材料微观结构与势能参数的滑动摩擦计算研究

根据独立振子模型的能量耗散机理,提出了在无磨损界面摩擦中,利用通用界面粘附能量函数计算滑动时接触界面势能的变化从而计算摩擦力和摩擦系数的方法,建立摩擦力和摩擦系数与金属材料表面能与微观结构参数的关系,并利用已有的实验数据进行计算.结果表明,摩擦力与金属材料的表面能基本呈线性关系,与比例参数呈线性负相关关系,与晶格常数基本无关.计算结果与粘附理论公式以及超高真空原子力显微镜试验结果吻合较好.     

基于Iwan模型的接合面切向响应建模

针对工程中常见预紧力作用下的搭接接头,研究其在小幅切向位移激励时的切向位移响应问题,为此提出一种新的基于实际表面形貌和材料性能参数的滑移力密度分布函数.应用该分布函数得到搭接接头切向响应本构模型,并获得单位加载周期内的迟滞曲线和能量耗散值, 通过与已出版的实验结果相对比,发现得到的模拟值与实验结果吻合, 证明该模型的合理性.在此基础上利用该分布函数研究了接合面切向位移与切向力、切向接触刚度及能量耗散之间的关系,结果表明: 建立的模型能很好地描述接合面间切向力与切向位移之间的关系,临界滑移力函数开始迅速上升, 到达最大值后迅速收敛到零;切线力与切向位移之间表现出非线性特性, 随着切向位移的增大,切向接触刚度表现出"软化"现象;初始切向刚度与法向载荷、粗糙度参数及塑性指数有关, 对于确定的接触表面,法向力越大, 初始切向刚度越大; 初始切向刚度同样也随着塑性指数的增大而增大.      

双模态振幅调制原子力显微术相互作用区转变研究

双模态振幅调制原子力显微术测试或成像过程中存在引力区和斥力区两种相互作用区.开展双模态振幅调制原子力显微术针尖样品相互作用区转变的研究,对于在特定作用区内成像的参数设置、相互作用区范围的控制,以及对成像结果的正确理解和解释尤为重要.将有限差分法和同相正交法相结合,采用数值模拟方法研究了探针模态自由振幅大小设定、样品力学性能变化以及模态激励频率的设置对双模态振幅调制原子力显微术相互作用区转变的影响.研究结果表明,探针模态自由振幅之和越大,则引力区向斥力区转变时的临界设定点越大,使探针位于引力区的设定点的范围越小.样品的弹性模量越大、黏度系数越小,探针在接近样品过程中引力区向斥力区转变发生越早,即引力区设定点的范围越小.偏离自由共振频率对探针进行激励时,引力区的范围均小于以自由共振频率激励时的引力区范围,探针运动状态的突变并不一定对应相互作用区的转变,且不能将相位值是否高于或低于90°作为判定探针位于引力区或斥力区的依据.     

双模态振幅调制原子力显微术相互作用区转变研究

双模态振幅调制原子力显微术测试或成像过程中存在引力区和斥力区两种相互作用区. 开展双模态振幅调制原子力显微术针尖样品相互作用区转变的研究, 对于在特定作用区内成像的参数设置、相互作用区范围的控制, 以及对成像结果的正确理解和解释尤为重要. 将有限差分法和同相正交法相结合, 采用数值模拟方法研究了探针模态自由振幅大小设定、样品力学性能变化以及模态激励频率的设置对双模态振幅调制原子力显微术相互作用区转变的影响. 研究结果表明, 探针模态自由振幅之和越大, 则引力区向斥力区转变时的临界设定点越大, 使探针位于引力区的设定点的范围越小. 样品的弹性模量越大、黏度系数越小, 探针在接近样品过程中引力区向斥力区转变发生越早, 即引力区设定点的范围越小. 偏离自由共振频率对探针进行激励时, 引力区的范围均小于以自由共振频率激励时的引力区范围, 探针运动状态的突变并不一定对应相互作用区的转变, 且不能将相位值是否高于或低于90°作为判定探针位于引力区或斥力区的依据.      

双模态振幅调制原子力显微术对比度反转研究

双模态振幅调制原子力显微术广泛应用于微纳米力学成像,然而成像过程中可能存在的对比度反转问题会造成成像结果的难以理解和解释。将有限差分法和同相正交法相结合,采用数值方法研究了不同力常数探针、样品组分力学性能以及成像参数设置对双模态振幅调制原子力显微术二阶模态振幅和相位对比度反转的影响。研究结果显示,对于硬探针,不同粘度系数组分上二阶模态振幅和相位对比度随弹性模量增加无反转产生。探针在不同弹性模量组分上二阶模态振幅对比度随粘度系数增加会产生反转,而二阶模态相位对比度则无反转产生。对于软探针,组分弹性模量或粘度系数增加会造成相互作用区转变,使探针响应产生跳变。软探针在组分弹性模量较高时二阶模态相位对不同粘度系数的对比度以及在粘度系数较小时对不同弹性模量组分的对比度均较硬探针更低。两种探针在不同弹性模量组分上二阶模态振幅对比度随着二阶模态自由振幅的增加会发生反转,而不同粘度系数下的对比度则未出现反转。此外,二阶模态自由振幅越小,则二阶模态相位对不同弹性模量或粘度系数组分的对比度越高。二阶模态振幅或相位对比度在不同相互作用区可能会发生反转,成像时应使相互作用区处于排斥区,可提高对比度。     

双模态振幅调制原子力显微术对比度反转研究

双模态振幅调制原子力显微术广泛应用于微纳米力学成像,然而成像过程中可能存在的对比度反转问题会造成成像结果的难以理解和解释。将有限差分法和同相正交法相结合,采用数值方法研究了不同力常数探针、样品组分力学性能以及成像参数设置对双模态振幅调制原子力显微术二阶模态振幅和相位对比度反转的影响。研究结果显示,对于硬探针,不同粘度系数组分上二阶模态振幅和相位对比度随弹性模量增加无反转产生。探针在不同弹性模量组分上二阶模态振幅对比度随粘度系数增加会产生反转,而二阶模态相位对比度则无反转产生。对于软探针,组分弹性模量或粘度系数增加会造成相互作用区转变,使探针响应产生跳变。软探针在组分弹性模量较高时二阶模态相位对不同粘度系数的对比度以及在粘度系数较小时对不同弹性模量组分的对比度均较硬探针更低。两种探针在不同弹性模量组分上二阶模态振幅对比度随着二阶模态自由振幅的增加会发生反转,而不同粘度系数下的对比度则未出现反转。此外,二阶模态自由振幅越小,则二阶模态相位对不同弹性模量或粘度系数组分的对比度越高。二阶模态振幅或相位对比度在不同相互作用区可能会发生反转,成像时应使相互作用区处于排斥区,可提高对比度。     

多模态原子力显微术研究进展

材料纳米尺度的各种性能中，纳米力学性能是纳米材料和器件服役所需要保证的最基本性能。因此，发展可靠的定量化纳米力学测试技术就显得尤为关键。原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)作为纳米力学测试的重要平台，目前广泛应用于材料纳米尺度形貌和力学性能成像。作为原子力显微术的前沿应用模式之一，多模态原子力显微术通过同时激励探针的两个或多个振动模态对样品进行测试或成像，可实现对被测样品高分辨率、高灵敏度、定量化和无损的纳米力学快速成像及检测，具有极其广泛的应用前景。围绕多模态原子力显微术，首先介绍了多模态原子力显微术的基本成像原理和力学模型基础。随后，综述了多模态原子力显微术探针动力学以及成像技术相关研究的主要进展。然后，对多模态原子力显微术的几类典型应用进行了总结和评述。最后，对多模态原子力显微术未来可能的研究方向进行了展望。     

石英岩表面分子沉积膜的微观摩擦性能的试验研究

利用原子力显微镜对石英岩表面单层分子沉积膜的微观摩擦特性进行了研究,发现该分子沉积膜具有一定的减摩性.通过对其表面力-位移曲线、表面形貌像、调制力像和摩擦力像的进一步分析表明,石英岩表面分子沉积膜具有减摩作用的原因在于它能够降低表面的粘着力并对表面具有微观修饰作用.     

纳米GeSb2Te4薄膜在大气环境中的摩擦性能研究

采用摩擦力显微镜考察了磁控溅射纳米GeSb2Te4薄膜在大气环境中的微观摩擦性能,利用JKRS理论分析了针尖同GeSb2Te4薄膜接触时的粘附力和表面能之间的关系.结果表明:当湿度较大时,粘附力较大;而当湿度较小时,粘附力较小;当针尖表面能一定时,粘附力的微小变化可以导致GeSb2Te4薄膜的表面能产生较明显变化;随着扫描范围逐渐减小,摩擦力变化趋于稳定;不同扫描速度下法向力和摩擦力保持较好线性关系,但不同扫描速度下的平均摩擦力随扫描速率变化而呈现非线性变化;为了更好地分析探针和样品表面的微观摩擦机制,宜选择扫描范围为0.1～0.5μm或更小.     

等离子体沉积碳氟聚合物薄膜的纳米摩擦性能研究

利用原子力显微镜研究了感应等离子体刻蚀加工过程中单晶硅表面形成的不同厚度的碳氟聚合物薄膜的纳米摩擦特性，并针对几种不同的摩擦模式探讨了原子力显微镜探针在不同厚度的碳氟聚合物薄膜表面的摩擦行为．结果表明，同硅基体相比，聚合物薄膜的摩擦力信号明显较弱，薄膜的纳米摩擦特性同其厚度密切相关；碳氟聚合物薄膜在同Si3N4针尖接触过程中可向针尖表面转移，从而对针尖起修饰作用，以减轻微观摩擦磨损．