原子力显微镜中探针与样品的塑性接触对形貌测量的影响

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原子力显微镜(atomic force microscopy, AFM)测量样品表面形貌时,由于其优异的性能以及操作简易,在科学研究的各个领域都发挥了重大作用,促进了纳米技术发展。原子力显微镜与先前的显微镜相比,其最主要的特点就是通过一个悬臂梁探针去探索形貌。

先前论文对原子力显微镜轻敲模式下由液桥引起的能量耗散进行了详细的论述,分析了探针与样品间的液桥的动力学生成过程,这对理解黏附力至关重要,得到了液桥生成模型以及计算出了在轻敲模式下由液桥引起的耗散能。在此基础上,进一步对可能引起AFM赝相的其他主要因素进行研究。

根据对微观尺度下接触问题的研究,本文提出,样品材料的塑性变形也是引起AFM赝像的一种原因,至于这种影响在不同的环境下,其重要程度如何,怎样消除这种影响,都是本论文重点研究的工作。首先,本文首先利用微尺度接触理论,建立了在此尺度下的加载-卸载模型,即加载过程使用C-P模型,卸载过程用JKR模型,并利用这个简化模型计算出塑性耗散功。

其次,再通过有限元模型计算得到了不考虑表面黏附效应下的塑性功。通过比较验证了本文提出的假设的正确性,即：在纳米尺度接触下,塑性变形引起的耗散功可以不考虑表面力的影响。

此外,在大气环境下,AFM针尖和基底的微接触模型中,毛细力在所有黏附力中占主导地位,那么就有必要分析毛细力和塑性变形对接触耗散能的贡献。通过计算,得到在轻敲模式下塑性耗散功比由毛细力引起的耗散功小一个量级。

最后利用振动力学相关知识,简要的分析了耗散功对AFM振动系统的影响。

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