基于接觸共振原子力顯微術(shù)的納米力學(xué)表征方法研究.pdf

1、隨著納米科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各類器件系統(tǒng)的日益小型化以及新型納米材料的設(shè)計(jì)制備，均對(duì)相應(yīng)器件材料各類物理特性快速、準(zhǔn)確、無(wú)損且高分辨的測(cè)量提出迫切需求。而其中，尤為重要的需求之一即是對(duì)各類力學(xué)特性相關(guān)參量的表征評(píng)價(jià)，這既包括對(duì)于材料強(qiáng)度、彈性、粘彈及摩擦等特性參量的定量測(cè)量，也包括對(duì)于器件材料內(nèi)部缺陷、雜質(zhì)等的無(wú)損檢測(cè)。針對(duì)這一需求，基于原子力顯微鏡的相關(guān)技術(shù)因其納米尺度空間分辨力、極高的力測(cè)量靈敏度而表現(xiàn)出巨大潛力，而其中尤以基于超聲

2、調(diào)制的接觸共振原子力顯微術(shù)最具希望。
　　通過(guò)結(jié)合對(duì)于針尖、樣品間接觸作用的高頻超聲調(diào)制，超聲原子力顯微術(shù)相關(guān)技術(shù)方法被廣泛應(yīng)用于對(duì)材料表面力學(xué)特性分布的表征成像以及對(duì)次表面結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)中。而其中工作于接觸共振狀態(tài)的接觸共振原子力顯微術(shù)，更是因其能夠?qū)崿F(xiàn)定量化力學(xué)特性表征而得到廣泛關(guān)注。本論文針對(duì)接觸共振原子力顯微術(shù)在納米力學(xué)表征及次表面結(jié)構(gòu)成像中存在的相關(guān)問(wèn)題，以接觸力學(xué)及探針振動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，主要開展了微懸臂梁相關(guān)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題分

3、析、納米力學(xué)表征中的應(yīng)用拓展及次表面結(jié)構(gòu)成像能力定量評(píng)價(jià)等三個(gè)方面的研究工作，同時(shí)亦探討了接觸共振原子力顯微術(shù)在納米摩擦相關(guān)問(wèn)題研究中的運(yùn)用。
　　首先，本文通過(guò)基于連續(xù)梁的微懸臂梁接觸共振理論模型及有限元計(jì)算模型，分析了微懸臂梁特殊幾何結(jié)構(gòu)、探針傾角、針尖位置、針尖高度及橫向接觸剛度等因素對(duì)于接觸共振原子力顯微術(shù)定量納米力學(xué)表征的影響。同時(shí)，我們對(duì)接觸共振原子力顯微術(shù)定性成像中的圖像襯度進(jìn)行了探討，并對(duì)小振幅超聲調(diào)制下，針尖、樣

4、品間力曲線特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及理論研究。
　　其次，本文提出了一種基于接觸共振原子力顯微術(shù)的薄膜剛度及殘余應(yīng)力的測(cè)量方法，探索拓展了接觸共振原子力顯微術(shù)在納米力學(xué)表征方面的應(yīng)用。經(jīng)對(duì)比驗(yàn)證，該方法測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)曲率法測(cè)試結(jié)果符合較好，且具有較小的測(cè)量不確定度。
　　另外，本文提出了針對(duì)接觸共振原子力顯微術(shù)對(duì)于次表面空穴結(jié)構(gòu)檢測(cè)能力的理論分析模型，針對(duì)不同深度、不同尺寸次表面結(jié)構(gòu)，對(duì)檢測(cè)深度等檢測(cè)能力評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并分析

5、了懸臂梁振動(dòng)模態(tài)、作用載荷等對(duì)于檢測(cè)能力的影響。相關(guān)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)較好地證明了此分析方法的有效性。同時(shí)，對(duì)于內(nèi)嵌異質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品，針對(duì)其接觸力學(xué)模型建立困難的問(wèn)題，我們提出了基于有限元分析的等效壓入模量計(jì)算模型，并分析了接觸共振原子力顯微術(shù)對(duì)于此類樣品的檢測(cè)能力。
　　最后，為研究接觸共振原子力顯微術(shù)中實(shí)驗(yàn)設(shè)置對(duì)于材料耗散角正切等粘彈特性測(cè)量的影響，本文從接觸共振頻譜的實(shí)驗(yàn)研究出發(fā)，對(duì)接觸共振原子力顯微術(shù)中針尖、樣品間局域微滑動(dòng)行為進(jìn)行了研