轻敲模式下原子力显微镜的能量耗散机理研究.pdf

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1、２００７年１２月西安电子科技大学学报（自然科学版）Ｄｅｃ．２００７第３４卷第６期犑犗犝犚犖犃犔犗犉犡犐犇犐犃犖犝犖犐犞犈犚犛犐犜犢Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．６轻敲模式下原子力显微镜的能量耗散机理研究樊康旗，贾建援，朱应敏（西安电子科技大学机电工程学院，陕西西安７１００７１）摘要：为研究原子力显微镜（ＡＦＭ）在轻敲工作模式下的能量耗散机理，基于Ｈａｍａｋｅｒ假设和ＬｅｎｎａｒｄＪｏｎｅｓ势能定律得到了原子与球体间的作用力．通过将球体与平面原子间的作用力等效为球体与平面间的粘着分布力，并结合经典弹性理论建立了一种新型的球体与平面粘着接触的弹性模型，根据所建模型得到了ＡＦＭ针尖与样品表面

2、间的粘着力随其间距的变化规律．仿真结果表明，粘着力随间距的变化曲线在ＡＦＭ针尖趋近和撤离样品表面，即加载和卸载的两个过程中并不完全相同，产生了粘着滞后现象，而粘着滞后现象的出现表明ＡＦＭ在轻敲工作模式中将耗散能量，因而，所建模型从理论上证实了ＡＦＭ在轻敲工作模式下存在能量耗散现象．关键词：原子力显微镜；粘着模型；轻敲模式；能量耗散中图分类号：ＴＮ１６；ＴＨ７２４文献标识码：Ａ文章编号：１００１２４００（２００７）０６０９４７０６犈狀犲狉犵狔犱犻狊狊犻狆犪狋犻狅狀犻狀狋犪狆狆犻狀犵犿狅犱犲犪狋狅犿犻犮犳狅狉犮犲犿犻犮狉狅狊犮狅狆狔犉犃犖犓犪狀犵狇犻，犑犐犃犑犻犪狀狔

3、狌犪狀，犣犎犝犢犻狀犵犿犻狀（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｉｄｉａｎＵｎｉｖ．，Ｘｉ′ａｎ７１００７１，Ｃｈｉｎａ）犃犫狊狋狉犪犮狋：ＢａｓｅｄｏｎＨａｍａｋｅｒｈｙｐｏｔｈｅｓｅｓａｎｄＬｅｎｎａｒｄＪｏｎｅｓｐｏｔｅｎｔｉａｌ，ｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎａｎａｔｏｍａｎｄａｓｐｈｅｒｅｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｉｎｔａｐｐｉｎｇｍｏｄｅａｔｏｍｉｃｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＡＦＭ）．Ｂｙｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ

4、ｂｅｔｗｅｅｎａｓｐｈｅｒｅａｎｄａｎａｔｏｍｏｆａｐｌａｎｅａｓｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｎｇａｄｈｅｓｉｏｎｆｏｒｃｅｂｅｔｗｅｅｎａｓｐｈｅｒｅａｎｄａｐｌａｎｅ，ａｎｄｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｅｌａｓｔｉｃｔｈｅｏｒｙ，ａｎｏｖｅｌｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｏｆａｄｈｅｓｉｖｅｃｏｎｔａｃｔｂｅｔｗｅｅｎａｓｐｈｅｒｅａｎｄａｐｌａｎｅ．Ｗｉｔｈｔｈｅａｄｈｅｓｉｖｅｍｏｄｅｌｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｄｈｅｓｉｖｅｆｏｒｃｅｗｉｔｈｔｈｅＡＦＭｔｉｐｓａｍｐｌｅｄｉｓｔａｎｃｅｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ．

5、Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｄｈｅｓｉｖｅｆｏｒｃｅｗｉｔｈｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｉｎｔｈｅｌｏａｄｐｒｏｃｅｓｓｉｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｏｍｔｈａｔｉｎｔｈｅｕｎｌｏａｄｐｒｏｃｅｓｓ，ｉ．ｅ．，ｔｈｅａｄｈｅｓｉｖｅｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｉｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｔｈｅｉｎｄｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ．ＳｏｔｈｅｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｉｓｓｈｏｗｎｂｙｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｏｄｅｌｉｎｔｈｅｔａｐｐｉｎｇｍｏｄｅＡＦＭ．犓犲狔犠狅狉犱狊：ＡＦ

6、Ｍ；ａｄｈｅｓｉｏｎｍｏｄｅｌ；ｔａｐｐｉｎｇｍｏｄｅ；ｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ原子力显微镜（ＡＦＭ）作为微观领域的主要研究工具之一，不仅可以在纳米级的范围内获取样品表面的形貌，而且可以探测针尖与样品表面间的微小粘着力，为研究样品表面的微观形貌和力学特性提供了新思［１］［２～４］路．ＡＦＭ通常有３种工作模式：非接触模式、轻敲模式和接触模式．在非接触模式中，由于ＡＦＭ针尖与样品表面间距较大，ＡＦＭ的分辨率受到很大的限制．在接触模式中，当ＡＦＭ沿着样品表面扫描时，ＡＦＭ针尖与样品表面间的切向力将引起样品表面发生变形，甚至导致软材料表面发生不可恢复的破坏．ＡＦＭ的轻敲工作

7、模式不仅可以得到样品表面的原子级形貌，而且可以克服接触模式导致样品表面变形或破坏的缺点，在实际中得到了广泛的应用．ＡＦＭ的轻敲模式又称为间歇接触模式，其基本原理是对ＡＦＭ的微悬臂梁施加一频率接近其共振频率［５］的激励，通过处理由粘着力导致的变化的振幅或相位信号来得到样品表面的形貌特征，所以ＡＦＭ针尖与［５～７］样品表面间的粘着力随间距的变化规律对ＡＦＭ轻敲工作模式的研究至关重要．虽然许多实验和分子收稿日期：２００７０１１０基金项目：国家自然科学基金资助（１０４７６０１９）作者简介：樊康旗（１９７９