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1、2007年2月润滑与密封Feb12007第32卷第2期LUBRICATIONENGINEERINGVol132No123用力2距离曲线标定原子力显微镜力测量系数的研究1,22许中明黄平(1.顺德职业技术学院广东顺德528300;21华南理工大学机械工程学院广东广州510640)摘要:推导出根据原子力显微镜测量得到的电压信号计算法向力和横向力的公式,然后研究用力-距离曲线标定公式中测量系数的方法,并用几种不同的探针和试样测试和确定所用原子力显微镜的测量系数。从测量的结果可以看到,不同探针和试样的测量值较为接近,表明该方法可行。当原子力显
2、微镜测量系统的光路对称时,用本方法标定测量系数较为简单和准确。关键词:力曲线;测量系数;法向力;横向力;原子力显微镜中图分类号:TH742文献标识码:A文章编号:0254-0150(2007)2-111-3CalibratingForceMeasurementCoefficientofAtomicForceMicroscopywithForce2distanceCurve1,22XuZhongmingHuangPing(1.DepartmentofMechanicalandElectricalEngineering,ShundePol
3、ytechnic,ShundeGuangdong528300,China;2.CollegeofMechanicalEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,GuangzhouGuangdong510640,China)Abstract:Theequationstocalculatenormalandlateralforcebetweensampleandtipofanatomicforcemicroscopyfromthevoltagemeasuredwerededuced.Theme
4、thodtogainmeasurementcoefficientofanatomicforcemicroscopyontheequationwithaforce2distancecurvewasdiscussed.Differenttipsandsampleswereusedtomeasurethecoefficient.Fromtheresultsoftheexperiment,thevaluesgainedareclosetoeachother,whichshowthemethodisfeasible.Themethodissim
5、pleandaccuratewhenthepathofrayoftheatomicforcemicroscopyissymmetry.Keywords:force2distancecurve;measurementcoefficient;normalforce;lateralforce;AFM原子力显微镜由于其优异的性能,近年来在摩擦距离曲线标定公式中测量系数的方法,并用不同的探学、材料科学和生命科学等众多领域应用广泛。原子针和试样标定所用原子力显微镜的测量系数。力显微镜主要用于表面微观形貌甚至原子级形貌的检1根据原子力显微镜的测量信
6、号计算法向力和横向[1]测,以及材料表面纳米尺度的力学特性的测量。原力[7]子力显微镜在表面微观形貌测量方面已经比较成熟,原子力显微镜的工作原理见图1所示,它是用可以使用专用的校准块标定或直接利用HOPG、云母一个一端固定,另一端装有针尖的对微弱作用力非常等层状晶体的晶格距离来标定,通常制造厂家出厂时敏感的弹性悬臂梁来检测样品表面形貌或其它表面性就进行标定。但在力测量方面,特别是横向力(摩质。当针尖在样品上扫描时(通常是扫描器带动样[2-3]擦力)的测量,定量标定较为困难www.spm.com.cn,迄今仍有待品移动),针尖和样品之间
7、的相互作用力就会引起微进一步研究,厂家一般不提供标定参数。悬臂发生形变,微悬臂的形变可以作为样品与针尖相目前原子力显微镜力测量的标定有仪器光路互作用力的直接度量。为了测量微悬臂的形变,用一[4][5][6]法、斜面法、摩擦环斜率法等方法,但这些方束激光照射到微悬臂背面,微悬臂将激光束反射到一法较为复杂,且由于需要测量多个参数,因而容易积个光电位置检测器,位置检测器不同象限接收到的激累误差。光强度差值的变化与微悬臂的形变量存在比例关系。本文作者推导出根据原子力显微镜测量得到的电反馈系统根据位置检测器电压的变化,不断调整针尖压信号计算法向
8、力和横向力的公式,然后研究用力2或样品Z轴方向的位置,可以保持针尖与样品间的作用力基本不变,从而可以得到样品的表面形貌图像。如图1所示,位置检测器通常有4个象限,不同3基金项目:广东省自然科学基金资助项目(0402008
